城市軌道交通列車(chē)定位方法：技術(shù)剖析與創(chuàng)新發(fā)展一、引言1.1研究背景與意義隨著城市化進(jìn)程的加速，城市人口不斷增長(zhǎng)，交通擁堵、環(huán)境污染等問(wèn)題日益嚴(yán)重。城市軌道交通作為一種大運(yùn)量、高效率、節(jié)能環(huán)保的公共交通方式，在現(xiàn)代城市發(fā)展中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。它不僅能夠有效緩解城市交通壓力，提高居民出行效率，還能促進(jìn)城市空間的合理布局和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。城市軌道交通系統(tǒng)通常包括地鐵、輕軌、有軌電車(chē)等多種形式，其運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)是列車(chē)運(yùn)行密度高、車(chē)站間距近、安全性要求高。在這樣的系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)、精確地確定列車(chē)在線(xiàn)路中的位置是保證列車(chē)安全運(yùn)行、提高運(yùn)營(yíng)效率和提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)的前提。列車(chē)定位技術(shù)作為城市軌道交通的關(guān)鍵技術(shù)之一，直接關(guān)系到列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)（ATC）的性能和可靠性。ATC系統(tǒng)通過(guò)獲取列車(chē)的位置信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車(chē)的自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)防護(hù)和自動(dòng)運(yùn)行控制，確保列車(chē)按照預(yù)定的運(yùn)行圖安全、準(zhǔn)點(diǎn)地運(yùn)行。例如，在列車(chē)自動(dòng)防護(hù)（ATP）子系統(tǒng)中，準(zhǔn)確的列車(chē)位置信息是保證列車(chē)安全間隔、防止列車(chē)追尾和碰撞的重要依據(jù)；在列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行（ATO）子系統(tǒng)中，列車(chē)位置信息用于計(jì)算列車(chē)的速度曲線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)列車(chē)的精確調(diào)速和定點(diǎn)停車(chē)，提高列車(chē)運(yùn)行的舒適性和節(jié)能性；在列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控（ATS）子系統(tǒng)中，列車(chē)位置信息用于實(shí)時(shí)顯示列車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)，為調(diào)度人員提供決策支持，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車(chē)的合理調(diào)度和優(yōu)化運(yùn)營(yíng)。然而，現(xiàn)有的列車(chē)定位技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一些問(wèn)題和挑戰(zhàn)。例如，基于軌道電路的定位技術(shù)雖然具有可靠性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但定位精度較低，無(wú)法滿(mǎn)足移動(dòng)閉塞等先進(jìn)列車(chē)控制系統(tǒng)對(duì)高精度定位的需求；基于查詢(xún)/應(yīng)答器的定位技術(shù)定位精度較高，但只能提供點(diǎn)式定位信息，存在定位盲區(qū)；衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)（如GPS、北斗等）雖然具有全球覆蓋、高精度等優(yōu)勢(shì)，但在城市環(huán)境中，由于受到高樓大廈、隧道等遮擋物的影響，信號(hào)容易丟失或受到干擾，導(dǎo)致定位精度下降甚至無(wú)法定位。此外，不同的列車(chē)定位技術(shù)在適用場(chǎng)景、可靠性、成本等方面也存在差異，如何根據(jù)城市軌道交通的實(shí)際需求，選擇合適的定位技術(shù)或組合多種定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，是當(dāng)前城市軌道交通領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題。因此，開(kāi)展城市軌道交通中的列車(chē)定位方法研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過(guò)深入研究和探索新的列車(chē)定位技術(shù)和方法，可以提高列車(chē)定位的精度、可靠性和實(shí)時(shí)性，為城市軌道交通的安全、高效運(yùn)營(yíng)提供有力保障。同時(shí)，研究成果也將有助于推動(dòng)城市軌道交通技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步，具有一定的理論價(jià)值和應(yīng)用前景。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在國(guó)外，城市軌道交通列車(chē)定位技術(shù)的研究起步較早，技術(shù)發(fā)展相對(duì)成熟。歐洲、日本等地區(qū)和國(guó)家在該領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。例如，歐洲的列車(chē)控制系統(tǒng)（ETCS）廣泛采用基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）結(jié)合其他輔助定位技術(shù)的方案，以實(shí)現(xiàn)列車(chē)的精確定位和追蹤。德國(guó)的鐵路系統(tǒng)利用軌道電路和計(jì)軸器實(shí)現(xiàn)列車(chē)的基本定位，并通過(guò)與GNSS融合，進(jìn)一步提高定位精度，以適應(yīng)不同線(xiàn)路和運(yùn)行場(chǎng)景的需求。在日本，新干線(xiàn)等軌道交通系統(tǒng)采用了多種先進(jìn)的定位技術(shù)，如基于信標(biāo)的點(diǎn)式定位和基于列車(chē)自身傳感器的連續(xù)定位相結(jié)合的方式，確保列車(chē)在高速運(yùn)行狀態(tài)下的安全和準(zhǔn)點(diǎn)。此外，國(guó)外還在不斷探索新的定位技術(shù)和算法，如基于機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能的定位方法，以提高定位系統(tǒng)的智能化水平和自適應(yīng)能力。國(guó)內(nèi)在城市軌道交通列車(chē)定位技術(shù)方面的研究近年來(lái)也取得了顯著進(jìn)展。隨著我國(guó)城市軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展，對(duì)列車(chē)定位技術(shù)的需求日益迫切，相關(guān)研究和應(yīng)用也不斷深入。一方面，國(guó)內(nèi)對(duì)傳統(tǒng)定位技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，如對(duì)軌道電路進(jìn)行數(shù)字化升級(jí)，提高其抗干擾能力和定位精度；對(duì)查詢(xún)/應(yīng)答器進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，增加信息存儲(chǔ)量和傳輸速率，以滿(mǎn)足列車(chē)運(yùn)行控制的需求。另一方面，積極開(kāi)展對(duì)新型定位技術(shù)的研究和應(yīng)用，特別是在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）與城市軌道交通的融合方面取得了重要成果。目前，已有多個(gè)城市的軌道交通線(xiàn)路開(kāi)展了基于北斗的列車(chē)定位技術(shù)試驗(yàn)和應(yīng)用示范，通過(guò)將北斗定位與其他傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，有效提高了列車(chē)定位的精度和可靠性。例如，北京地鐵部分線(xiàn)路采用了北斗與慣性導(dǎo)航融合的定位技術(shù)，在復(fù)雜的地下環(huán)境中也能實(shí)現(xiàn)高精度的列車(chē)定位。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外在城市軌道交通列車(chē)定位技術(shù)研究方面的熱點(diǎn)主要集中在以下幾個(gè)方面：一是多傳感器融合技術(shù)的深入研究，通過(guò)將衛(wèi)星導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、輪軸傳感器、雷達(dá)等多種傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高定位精度和可靠性，解決單一傳感器在復(fù)雜環(huán)境下的局限性問(wèn)題；二是高精度定位算法的研究與優(yōu)化，如卡爾曼濾波、粒子濾波等濾波算法以及基于深度學(xué)習(xí)的定位算法，以提高定位數(shù)據(jù)的處理精度和實(shí)時(shí)性；三是面向未來(lái)智能軌道交通發(fā)展需求的新型定位技術(shù)探索，如基于5G通信技術(shù)的定位、量子定位技術(shù)等，為列車(chē)定位技術(shù)的發(fā)展開(kāi)辟新的方向。然而，目前的研究仍存在一些空白和有待完善的地方。在復(fù)雜環(huán)境下，如隧道、地下停車(chē)場(chǎng)、高樓密集區(qū)等，衛(wèi)星信號(hào)容易受到遮擋和干擾，如何進(jìn)一步提高定位的可靠性和穩(wěn)定性仍是一個(gè)挑戰(zhàn)；對(duì)于多傳感器融合定位系統(tǒng)，如何建立更加準(zhǔn)確的傳感器誤差模型和融合算法，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的融合效果，還需要深入研究；此外，不同定位技術(shù)之間的兼容性和互操作性問(wèn)題也尚未得到很好的解決，在實(shí)際應(yīng)用中，如何實(shí)現(xiàn)多種定位技術(shù)的無(wú)縫切換和協(xié)同工作，有待進(jìn)一步探索。1.3研究目標(biāo)與方法本研究旨在深入剖析城市軌道交通中現(xiàn)有列車(chē)定位技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，通過(guò)理論分析、算法優(yōu)化以及多技術(shù)融合等手段，探索出更加精準(zhǔn)、可靠、適應(yīng)性強(qiáng)的列車(chē)定位方法，從而有效提升列車(chē)定位的精度和可靠性，滿(mǎn)足城市軌道交通日益增長(zhǎng)的安全和高效運(yùn)營(yíng)需求。具體而言，目標(biāo)包括提高定位精度，使定位誤差控制在更小的范圍內(nèi)，以適應(yīng)移動(dòng)閉塞等先進(jìn)列車(chē)控制系統(tǒng)對(duì)高精度定位的要求；增強(qiáng)定位可靠性，確保在復(fù)雜的城市環(huán)境和各種工況下，列車(chē)定位系統(tǒng)都能穩(wěn)定工作，減少信號(hào)丟失和干擾對(duì)定位的影響；研究多技術(shù)融合的可行性和實(shí)現(xiàn)方式，通過(guò)整合不同定位技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，形成互補(bǔ)，克服單一技術(shù)的局限性。為實(shí)現(xiàn)上述研究目標(biāo)，本研究將綜合運(yùn)用多種研究方法。首先，采用文獻(xiàn)研究法，廣泛查閱國(guó)內(nèi)外關(guān)于城市軌道交通列車(chē)定位技術(shù)的學(xué)術(shù)論文、研究報(bào)告、專(zhuān)利文獻(xiàn)等資料，全面了解該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)以及存在的問(wèn)題，為后續(xù)研究提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)參考。通過(guò)對(duì)大量文獻(xiàn)的梳理和分析，總結(jié)現(xiàn)有定位技術(shù)的原理、特點(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)景以及面臨的挑戰(zhàn)，明確研究的切入點(diǎn)和重點(diǎn)方向。其次，運(yùn)用案例分析法，選取國(guó)內(nèi)外具有代表性的城市軌道交通線(xiàn)路，深入研究其采用的列車(chē)定位技術(shù)和實(shí)際應(yīng)用效果。通過(guò)對(duì)實(shí)際案例的詳細(xì)分析，了解不同定位技術(shù)在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中的表現(xiàn)，包括定位精度、可靠性、穩(wěn)定性以及與其他系統(tǒng)的兼容性等方面，從中汲取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，發(fā)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題，并分析其原因。同時(shí)，對(duì)比不同案例中定位技術(shù)的差異和優(yōu)劣，為提出改進(jìn)方案和新的定位方法提供實(shí)踐依據(jù)。再者，借助實(shí)驗(yàn)仿真法，搭建列車(chē)定位技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用仿真軟件對(duì)不同的定位技術(shù)和算法進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)置各種復(fù)雜的環(huán)境條件和工況，如信號(hào)遮擋、干擾、列車(chē)運(yùn)行速度變化等，對(duì)定位系統(tǒng)的性能進(jìn)行全面測(cè)試和評(píng)估。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，驗(yàn)證理論研究的成果，優(yōu)化定位算法和技術(shù)方案，提高定位系統(tǒng)的性能。實(shí)驗(yàn)仿真法可以在相對(duì)可控的環(huán)境下快速驗(yàn)證不同方案的可行性，減少實(shí)際試驗(yàn)的成本和風(fēng)險(xiǎn)，為實(shí)際應(yīng)用提供可靠的技術(shù)支持。二、城市軌道交通列車(chē)定位技術(shù)概述2.1列車(chē)定位系統(tǒng)的基本功能2.1.1位置確定功能列車(chē)定位系統(tǒng)的核心任務(wù)之一便是實(shí)時(shí)、精確地確定列車(chē)的位置。在城市軌道交通中，列車(chē)的運(yùn)行線(xiàn)路復(fù)雜，車(chē)站間距較小，且運(yùn)行密度高，這就對(duì)列車(chē)位置確定的及時(shí)性和準(zhǔn)確性提出了極高要求。為實(shí)現(xiàn)這一功能，列車(chē)定位系統(tǒng)綜合運(yùn)用多種技術(shù)手段。例如，基于軌道電路的定位技術(shù)，利用鐵路線(xiàn)路的兩根鋼軌作為導(dǎo)體，通過(guò)檢測(cè)軌道電路的電氣參數(shù)變化來(lái)判斷列車(chē)是否占用以及大致位置。當(dāng)列車(chē)進(jìn)入某一軌道電路區(qū)段時(shí)，由于列車(chē)車(chē)軸的分路作用，會(huì)使軌道電路的電氣參數(shù)發(fā)生改變，系統(tǒng)據(jù)此識(shí)別列車(chē)的位置。然而，這種方式的定位精度相對(duì)較低，一般只能確定列車(chē)所在的軌道電路區(qū)段，誤差較大。為提高定位精度，常結(jié)合測(cè)速定位技術(shù)。通過(guò)測(cè)量車(chē)輪轉(zhuǎn)速，將其換算為列車(chē)直線(xiàn)速度，并根據(jù)速度和時(shí)間的積分來(lái)計(jì)算列車(chē)運(yùn)行的距離，從而更精確地確定列車(chē)位置。例如，編碼里程計(jì)通過(guò)與列車(chē)車(chē)輪相連，當(dāng)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，編碼里程計(jì)輸出脈沖信號(hào)，根據(jù)脈沖數(shù)量和車(chē)輪直徑等參數(shù)，就可以計(jì)算出列車(chē)運(yùn)行的距離和速度。但這種方法存在累計(jì)誤差，隨著列車(chē)運(yùn)行距離的增加，誤差會(huì)逐漸增大。在一些先進(jìn)的城市軌道交通系統(tǒng)中，還會(huì)采用查詢(xún)/應(yīng)答器定位技術(shù)。應(yīng)答器通常安裝在軌道沿線(xiàn)的特定位置，如車(chē)站、道岔等關(guān)鍵地點(diǎn)。當(dāng)列車(chē)經(jīng)過(guò)應(yīng)答器時(shí)，車(chē)載天線(xiàn)會(huì)與應(yīng)答器進(jìn)行通信，應(yīng)答器向列車(chē)發(fā)送包含其精確位置信息、線(xiàn)路參數(shù)等數(shù)據(jù)的報(bào)文。列車(chē)接收到這些信息后，可立即校正自身位置，實(shí)現(xiàn)高精度的點(diǎn)式定位。這種定位方式定位精度高，但由于應(yīng)答器是離散布置的，無(wú)法提供連續(xù)的位置信息，存在定位盲區(qū)。位置確定功能對(duì)于保障行車(chē)安全和提高運(yùn)營(yíng)效率起著至關(guān)重要的作用。在行車(chē)安全方面，準(zhǔn)確的列車(chē)位置信息是列車(chē)自動(dòng)防護(hù)（ATP）子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全間隔控制的基礎(chǔ)。ATP系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)獲取列車(chē)位置，計(jì)算列車(chē)之間的安全距離，防止列車(chē)追尾和碰撞事故的發(fā)生。例如，當(dāng)后方列車(chē)接近前方列車(chē)的安全距離時(shí)，ATP系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)制動(dòng)措施，使后方列車(chē)減速或停車(chē)，確保列車(chē)運(yùn)行安全。在提高運(yùn)營(yíng)效率方面，列車(chē)位置信息是列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行（ATO）子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行的關(guān)鍵。ATO系統(tǒng)根據(jù)列車(chē)位置、線(xiàn)路條件和運(yùn)行圖等信息，自動(dòng)控制列車(chē)的速度和加速度，實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行和準(zhǔn)點(diǎn)到達(dá)。同時(shí)，列車(chē)位置信息也為列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控（ATS）子系統(tǒng)提供了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，使調(diào)度人員能夠全面掌握列車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)進(jìn)行調(diào)度指揮，提高線(xiàn)路的通過(guò)能力和運(yùn)營(yíng)效率。2.1.2資源分配與故障診斷功能列車(chē)定位系統(tǒng)在城市軌道交通中還承擔(dān)著資源分配與故障診斷的重要職責(zé)。在資源分配方面，系統(tǒng)能夠?qū)壟栽O(shè)備和車(chē)載設(shè)備等資源進(jìn)行合理調(diào)配。例如，根據(jù)列車(chē)的實(shí)時(shí)位置和運(yùn)行需求，為列車(chē)分配相應(yīng)的無(wú)線(xiàn)通信信道。在城市軌道交通中，列車(chē)需要與控制中心、車(chē)站等進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，以獲取運(yùn)行指令、發(fā)送狀態(tài)信息等。無(wú)線(xiàn)通信資源是有限的，列車(chē)定位系統(tǒng)可根據(jù)列車(chē)的位置和通信需求，動(dòng)態(tài)分配無(wú)線(xiàn)信道，確保列車(chē)通信的暢通。同時(shí)，系統(tǒng)還能根據(jù)列車(chē)位置，合理安排供電設(shè)備的工作狀態(tài)。當(dāng)列車(chē)接近車(chē)站或需要加速時(shí)，及時(shí)調(diào)整供電參數(shù)，滿(mǎn)足列車(chē)的用電需求；在列車(chē)處于空閑狀態(tài)或低速運(yùn)行時(shí)，適當(dāng)降低供電功率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。在故障診斷方面，列車(chē)定位系統(tǒng)通過(guò)對(duì)軌旁設(shè)備和車(chē)載設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障并進(jìn)行診斷。以車(chē)載設(shè)備為例，系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)速度傳感器、定位天線(xiàn)等設(shè)備的工作狀態(tài)。若速度傳感器出現(xiàn)故障，其輸出的速度信號(hào)可能會(huì)出現(xiàn)異常波動(dòng)或偏差，列車(chē)定位系統(tǒng)通過(guò)對(duì)速度信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，可判斷速度傳感器是否正常工作。一旦檢測(cè)到故障，系統(tǒng)會(huì)立即發(fā)出警報(bào)，并通過(guò)數(shù)據(jù)分析初步確定故障類(lèi)型和位置，為維修人員提供準(zhǔn)確的故障信息，縮短故障排查和修復(fù)時(shí)間，提高設(shè)備的可用性和可靠性。對(duì)于軌旁設(shè)備，如軌道電路、查詢(xún)/應(yīng)答器等，列車(chē)定位系統(tǒng)同樣可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其工作狀態(tài)。例如，當(dāng)軌道電路出現(xiàn)短路、斷路等故障時(shí)，系統(tǒng)能夠通過(guò)檢測(cè)軌道電路的電氣參數(shù)變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并進(jìn)行定位，以便維修人員及時(shí)進(jìn)行修復(fù)，保障列車(chē)運(yùn)行的安全和穩(wěn)定。2.1.3降級(jí)運(yùn)行功能在城市軌道交通運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，不可避免地會(huì)出現(xiàn)局部故障的情況，如信號(hào)系統(tǒng)故障、部分定位設(shè)備損壞等。此時(shí)，列車(chē)定位系統(tǒng)的降級(jí)運(yùn)行功能就顯得尤為重要。降級(jí)運(yùn)行功能是指在系統(tǒng)局部出現(xiàn)故障時(shí)，列車(chē)定位系統(tǒng)能夠在滿(mǎn)足一定精度要求的前提下，保證列車(chē)?yán)^續(xù)運(yùn)行，確保安全。當(dāng)衛(wèi)星導(dǎo)航定位信號(hào)受到嚴(yán)重遮擋或干擾而丟失時(shí)，基于衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航融合的列車(chē)定位系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換到慣性導(dǎo)航為主的定位模式。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通過(guò)安裝在列車(chē)上的加速度計(jì)和陀螺儀等慣性傳感器，測(cè)量列車(chē)的加速度和角速度，進(jìn)而推算出列車(chē)的位置和姿態(tài)變化。雖然慣性導(dǎo)航系統(tǒng)會(huì)隨著時(shí)間的推移產(chǎn)生累計(jì)誤差，定位精度會(huì)逐漸下降，但在短時(shí)間內(nèi)仍能為列車(chē)提供相對(duì)可靠的位置信息，使列車(chē)能夠繼續(xù)運(yùn)行，避免因定位信息丟失而導(dǎo)致列車(chē)停車(chē)。在這種降級(jí)運(yùn)行模式下，列車(chē)的運(yùn)行速度和間隔會(huì)根據(jù)慣性導(dǎo)航的定位精度進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，以確保行車(chē)安全。再如，當(dāng)基于通信的列車(chē)控制系統(tǒng)（CBTC）中的部分無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，列車(chē)定位系統(tǒng)可利用備用的通信方式或有限的通信資源，維持基本的定位功能。同時(shí)，列車(chē)會(huì)切換到降級(jí)運(yùn)行模式，采用較為保守的運(yùn)行策略，如降低運(yùn)行速度、增大列車(chē)之間的安全間隔等，以保證列車(chē)在故障情況下的安全運(yùn)行。此時(shí)，列車(chē)定位系統(tǒng)通過(guò)與其他備用設(shè)備的協(xié)同工作，仍然能夠?yàn)榱熊?chē)提供必要的位置信息，使列車(chē)能夠按照預(yù)定的降級(jí)運(yùn)行模式繼續(xù)行駛，直至故障得到修復(fù)或列車(chē)到達(dá)指定地點(diǎn)。降級(jí)運(yùn)行功能是列車(chē)定位系統(tǒng)可靠性和安全性的重要體現(xiàn)，它能夠在系統(tǒng)出現(xiàn)局部故障時(shí)，最大程度地保障列車(chē)的安全運(yùn)行，減少對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響。2.2列車(chē)定位方式分類(lèi)2.2.1按空間可用性分類(lèi)按照空間可用性，列車(chē)定位方式可分為離散定位、連續(xù)定位和接近連續(xù)定位。離散定位方式通過(guò)在軌道沿線(xiàn)特定位置設(shè)置定位標(biāo)識(shí)來(lái)確定列車(chē)位置，查詢(xún)/應(yīng)答器定位就屬于典型的離散定位方式。應(yīng)答器被安裝在車(chē)站、道岔等關(guān)鍵位置，當(dāng)列車(chē)經(jīng)過(guò)應(yīng)答器時(shí)，車(chē)載設(shè)備與之通信獲取其存儲(chǔ)的位置等信息。這種定位方式定位精度較高，如在一些城市軌道交通線(xiàn)路中，應(yīng)答器的定位精度可達(dá)±0.1m，能為列車(chē)提供精確的絕對(duì)位置參考點(diǎn)。然而，由于應(yīng)答器是離散分布的，在應(yīng)答器之間的區(qū)域存在定位盲區(qū)，無(wú)法提供連續(xù)的位置信息，這使得列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中，定位信息存在間斷性，不利于實(shí)時(shí)監(jiān)控列車(chē)的精確位置變化。連續(xù)定位方式則能夠?qū)崟r(shí)、不間斷地獲取列車(chē)的位置信息，軌道電路定位是常見(jiàn)的連續(xù)定位方式之一。它以鐵路線(xiàn)路的兩根鋼軌作為導(dǎo)體，構(gòu)成電氣回路，通過(guò)檢測(cè)軌道電路的電氣參數(shù)變化，如信號(hào)電平、頻率等，來(lái)連續(xù)跟蹤列車(chē)在線(xiàn)路中的位置。只要列車(chē)在線(xiàn)路上運(yùn)行，軌道電路就能持續(xù)提供列車(chē)位置信息，不存在定位盲區(qū)。但軌道電路定位的精度相對(duì)較低，一般只能確定列車(chē)所在的軌道電路區(qū)段，定位誤差通常在幾十米到上百米之間，難以滿(mǎn)足對(duì)高精度定位有嚴(yán)格要求的應(yīng)用場(chǎng)景。接近連續(xù)定位方式介于離散定位和連續(xù)定位之間，它在大部分時(shí)間內(nèi)能夠提供連續(xù)的位置信息，但在某些特殊情況下可能會(huì)出現(xiàn)短暫的定位間斷。例如，基于衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航融合的定位方式，在衛(wèi)星信號(hào)良好的情況下，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)提供高精度的位置信息，實(shí)現(xiàn)接近連續(xù)定位；然而，當(dāng)列車(chē)進(jìn)入隧道、地下停車(chē)場(chǎng)等衛(wèi)星信號(hào)遮擋嚴(yán)重的區(qū)域時(shí)，衛(wèi)星信號(hào)減弱或丟失，此時(shí)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)開(kāi)始發(fā)揮主導(dǎo)作用，雖然慣性導(dǎo)航系統(tǒng)能在短時(shí)間內(nèi)維持定位，但隨著時(shí)間推移，其累計(jì)誤差會(huì)逐漸增大，導(dǎo)致定位精度下降，出現(xiàn)定位間斷。不過(guò)，通過(guò)合理的算法將衛(wèi)星導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，可以在一定程度上彌補(bǔ)各自的不足，提高定位的可靠性和連續(xù)性。2.2.2按產(chǎn)生定位信息部分分類(lèi)根據(jù)產(chǎn)生定位信息的部分不同，列車(chē)定位方式可分為完全基于軌旁設(shè)備的定位、完全基于車(chē)載設(shè)備的定位以及基于軌旁設(shè)備和車(chē)載設(shè)備相結(jié)合的定位。完全基于軌旁設(shè)備的定位方式，如軌道電路定位和計(jì)軸器定位。軌道電路通過(guò)檢測(cè)鋼軌中的電氣參數(shù)變化來(lái)判斷列車(chē)的占用和位置，計(jì)軸器則通過(guò)計(jì)算列車(chē)車(chē)輪通過(guò)的數(shù)量來(lái)確定列車(chē)的位置。這種定位方式的優(yōu)點(diǎn)是可靠性較高，不易受到車(chē)載設(shè)備故障的影響，因?yàn)槎ㄎ恍畔⑼耆绍壟栽O(shè)備產(chǎn)生和處理。而且，軌旁設(shè)備的維護(hù)相對(duì)集中，便于管理和檢修。然而，其缺點(diǎn)也較為明顯，軌旁設(shè)備的安裝和維護(hù)成本較高，需要在軌道沿線(xiàn)鋪設(shè)大量的設(shè)備和線(xiàn)路；同時(shí)，定位精度有限，難以滿(mǎn)足現(xiàn)代城市軌道交通對(duì)高精度定位的需求。完全基于車(chē)載設(shè)備的定位方式，如慣性導(dǎo)航定位和多普勒雷達(dá)定位。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)利用安裝在列車(chē)上的加速度計(jì)和陀螺儀，測(cè)量列車(chē)的加速度和角速度，通過(guò)積分運(yùn)算推算出列車(chē)的位置和姿態(tài)變化。多普勒雷達(dá)則通過(guò)測(cè)量發(fā)射頻率和接收到的反射頻率之間的頻率差來(lái)確定列車(chē)的速度，進(jìn)而通過(guò)對(duì)速度的積分計(jì)算出列車(chē)的位置。這種定位方式的優(yōu)勢(shì)在于獨(dú)立性強(qiáng)，不受軌旁設(shè)備和外部環(huán)境的影響，即使在軌旁設(shè)備出現(xiàn)故障或外部信號(hào)干擾嚴(yán)重的情況下，仍能為列車(chē)提供一定時(shí)間的定位信息。并且，車(chē)載設(shè)備的安裝相對(duì)靈活，不需要大規(guī)模改造軌道基礎(chǔ)設(shè)施。但它也存在一些局限性，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差會(huì)隨著時(shí)間的推移而累積，導(dǎo)致定位精度逐漸降低；多普勒雷達(dá)定位容易受到列車(chē)振動(dòng)、軌道不平以及周?chē)h(huán)境干擾的影響，使得定位精度和可靠性受到一定程度的制約?；谲壟栽O(shè)備和車(chē)載設(shè)備相結(jié)合的定位方式，綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。例如，查詢(xún)/應(yīng)答器與編碼里程計(jì)相結(jié)合的定位方式，查詢(xún)/應(yīng)答器提供精確的點(diǎn)式定位信息，用于校正列車(chē)的位置；編碼里程計(jì)則通過(guò)測(cè)量車(chē)輪轉(zhuǎn)速，實(shí)時(shí)計(jì)算列車(chē)運(yùn)行的距離和速度，提供連續(xù)的相對(duì)定位信息。當(dāng)列車(chē)經(jīng)過(guò)應(yīng)答器時(shí)，利用應(yīng)答器的精確位置信息對(duì)編碼里程計(jì)的累計(jì)誤差進(jìn)行校正，從而提高定位的精度和可靠性。這種定位方式既利用了軌旁設(shè)備的高精度定位優(yōu)勢(shì)，又發(fā)揮了車(chē)載設(shè)備的實(shí)時(shí)性和靈活性，能夠更好地滿(mǎn)足城市軌道交通列車(chē)定位的需求。然而，這種方式也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，需要解決軌旁設(shè)備和車(chē)載設(shè)備之間的通信、數(shù)據(jù)融合以及同步等問(wèn)題。2.3列車(chē)定位技術(shù)的作用2.3.1保證安全列車(chē)間隔在城市軌道交通中，安全列車(chē)間隔是保障列車(chē)運(yùn)行安全的關(guān)鍵因素之一。列車(chē)定位技術(shù)為確定安全列車(chē)間隔提供了至關(guān)重要的依據(jù)，其原理是通過(guò)精確獲取列車(chē)的位置信息，結(jié)合列車(chē)的運(yùn)行速度、制動(dòng)性能等參數(shù)，計(jì)算出列車(chē)之間的安全距離。例如，在基于通信的列車(chē)控制系統(tǒng)（CBTC）中，利用高精度的列車(chē)定位技術(shù)，如基于衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航融合的定位方式，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地確定列車(chē)的位置。系統(tǒng)根據(jù)列車(chē)的位置信息，動(dòng)態(tài)計(jì)算出列車(chē)的移動(dòng)授權(quán)（MA），MA定義了列車(chē)在當(dāng)前運(yùn)行條件下可以安全行駛的區(qū)域，從而保證了前后列車(chē)之間始終保持安全的間隔距離。當(dāng)后方列車(chē)接近前方列車(chē)的安全間隔距離時(shí)，列車(chē)自動(dòng)防護(hù)（ATP）子系統(tǒng)會(huì)根據(jù)列車(chē)定位信息迅速做出反應(yīng)。ATP子系統(tǒng)通過(guò)對(duì)列車(chē)位置、速度等信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，一旦判斷列車(chē)之間的間隔距離小于安全閾值，便會(huì)立即觸發(fā)緊急制動(dòng)或常用制動(dòng)措施，使后方列車(chē)減速或停車(chē)，有效防止列車(chē)追尾等事故的發(fā)生。在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，某城市地鐵采用了基于應(yīng)答器和測(cè)速定位相結(jié)合的列車(chē)定位技術(shù)，通過(guò)應(yīng)答器獲取列車(chē)的精確位置信息，利用測(cè)速定位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)列車(chē)的運(yùn)行速度和位移。當(dāng)列車(chē)在區(qū)間運(yùn)行時(shí)，ATP系統(tǒng)根據(jù)這些定位信息，嚴(yán)格控制列車(chē)的運(yùn)行間隔，確保前后列車(chē)之間的安全距離始終保持在規(guī)定范圍內(nèi)。多年的運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)顯示，采用該定位技術(shù)后，列車(chē)追尾事故的發(fā)生率顯著降低，有效保障了乘客的生命安全和軌道交通系統(tǒng)的正常運(yùn)營(yíng)。2.3.2提供區(qū)段占用/出清信息列車(chē)定位技術(shù)在提供軌道區(qū)段占用和出清信息方面發(fā)揮著重要作用，這對(duì)于輔助軌道檢測(cè)和速度控制至關(guān)重要。以軌道電路定位技術(shù)為例，它利用軌道電路的電氣特性來(lái)檢測(cè)列車(chē)的占用和出清情況。當(dāng)列車(chē)進(jìn)入某一軌道電路區(qū)段時(shí)，列車(chē)車(chē)輪將軌道電路短接，使軌道電路的電氣參數(shù)發(fā)生變化，如信號(hào)電流、電壓等。通過(guò)檢測(cè)這些參數(shù)的變化，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確判斷該軌道區(qū)段是否被列車(chē)占用。當(dāng)列車(chē)離開(kāi)該軌道區(qū)段后，軌道電路的電氣參數(shù)恢復(fù)正常，系統(tǒng)即可確認(rèn)該軌道區(qū)段已出清。這些軌道區(qū)段占用和出清信息為軌道檢測(cè)提供了直接依據(jù)。例如，在進(jìn)行軌道電路檢修時(shí)，維修人員可以根據(jù)列車(chē)定位系統(tǒng)提供的區(qū)段占用/出清信息，準(zhǔn)確判斷哪些軌道區(qū)段處于空閑狀態(tài)，從而安全地進(jìn)行檢修作業(yè)，避免在列車(chē)運(yùn)行時(shí)進(jìn)行危險(xiǎn)操作。同時(shí)，這些信息對(duì)于速度控制也具有重要意義。在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)（ATC）根據(jù)軌道區(qū)段的占用情況，合理調(diào)整列車(chē)的速度。當(dāng)列車(chē)接近前方被占用的軌道區(qū)段時(shí)，ATC系統(tǒng)會(huì)根據(jù)列車(chē)定位信息，提前發(fā)出減速指令，使列車(chē)降低速度，確保列車(chē)在安全的速度下運(yùn)行，避免因速度過(guò)快而發(fā)生危險(xiǎn)。在一些城市軌道交通系統(tǒng)中，還將軌道區(qū)段占用/出清信息與列車(chē)的自動(dòng)駕駛功能相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了列車(chē)的自動(dòng)調(diào)速和停車(chē)，提高了列車(chē)運(yùn)行的效率和安全性。2.3.3為ATP、ATO、ATS子系統(tǒng)提供信息列車(chē)定位技術(shù)是列車(chē)自動(dòng)防護(hù)（ATP）、列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行（ATO）和列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控（ATS）子系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)，對(duì)這些子系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)起著關(guān)鍵作用。在ATP子系統(tǒng)中，準(zhǔn)確的列車(chē)位置信息是實(shí)現(xiàn)列車(chē)安全防護(hù)的核心要素。ATP系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)獲取列車(chē)的位置、速度等信息，計(jì)算列車(chē)的安全運(yùn)行范圍和速度限制。當(dāng)列車(chē)運(yùn)行超出安全范圍或速度超過(guò)限制時(shí)，ATP系統(tǒng)會(huì)立即采取制動(dòng)措施，確保列車(chē)的運(yùn)行安全。例如，在列車(chē)進(jìn)站時(shí)，ATP系統(tǒng)根據(jù)列車(chē)定位信息，精確控制列車(chē)的速度和停車(chē)位置，保證列車(chē)能夠準(zhǔn)確停在站臺(tái)指定位置，避免列車(chē)越過(guò)站臺(tái)或停車(chē)位置不準(zhǔn)確的情況發(fā)生。對(duì)于ATO子系統(tǒng)，列車(chē)定位信息是實(shí)現(xiàn)列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行和精確控制的重要參數(shù)。ATO系統(tǒng)根據(jù)列車(chē)的位置信息，結(jié)合線(xiàn)路條件、運(yùn)行圖等數(shù)據(jù)，自動(dòng)計(jì)算列車(chē)的速度曲線(xiàn)，并控制列車(chē)的牽引、制動(dòng)等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)列車(chē)的自動(dòng)加速、減速和停車(chē)。在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，ATO系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)列車(chē)的位置，不斷調(diào)整列車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)，以保證列車(chē)按照預(yù)定的速度曲線(xiàn)運(yùn)行，提高列車(chē)運(yùn)行的舒適性和節(jié)能性。在一些先進(jìn)的城市軌道交通系統(tǒng)中，ATO子系統(tǒng)利用高精度的列車(chē)定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了列車(chē)在車(chē)站的精確停車(chē)，停車(chē)誤差可控制在幾厘米以?xún)?nèi)，大大提高了乘客的上下車(chē)體驗(yàn)。在ATS子系統(tǒng)中，列車(chē)定位信息用于實(shí)時(shí)顯示列車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)，為調(diào)度人員提供決策支持。ATS系統(tǒng)通過(guò)接收列車(chē)定位信息，將列車(chē)的位置、運(yùn)行方向、速度等信息實(shí)時(shí)顯示在調(diào)度中心的監(jiān)控屏幕上，使調(diào)度人員能夠全面、直觀(guān)地了解列車(chē)的運(yùn)行情況。調(diào)度人員根據(jù)這些信息，合理安排列車(chē)的運(yùn)行計(jì)劃，如調(diào)整列車(chē)的發(fā)車(chē)時(shí)間、運(yùn)行間隔等，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車(chē)的優(yōu)化調(diào)度，提高線(xiàn)路的通過(guò)能力和運(yùn)營(yíng)效率。在遇到突發(fā)情況，如列車(chē)故障、線(xiàn)路故障等時(shí)，ATS系統(tǒng)能夠根據(jù)列車(chē)定位信息，迅速確定故障列車(chē)的位置，及時(shí)采取相應(yīng)的救援措施，減少對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響。2.3.4其他作用列車(chē)定位技術(shù)在城市軌道交通中還有諸多其他重要應(yīng)用。在無(wú)線(xiàn)基站接續(xù)方面，對(duì)于采用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)進(jìn)行列車(chē)控制和信息傳輸?shù)南到y(tǒng)，如CBTC系統(tǒng)，列車(chē)定位技術(shù)作為無(wú)線(xiàn)基站接續(xù)的依據(jù)發(fā)揮著關(guān)鍵作用。隨著列車(chē)的運(yùn)行，它需要與沿線(xiàn)不同的無(wú)線(xiàn)基站進(jìn)行通信，以保持與控制中心的實(shí)時(shí)聯(lián)系。準(zhǔn)確的列車(chē)定位信息能夠使列車(chē)及時(shí)切換到合適的無(wú)線(xiàn)基站，確保通信的連續(xù)性和穩(wěn)定性。當(dāng)列車(chē)接近一個(gè)無(wú)線(xiàn)基站的覆蓋邊緣時(shí)，定位系統(tǒng)根據(jù)列車(chē)的位置信息，提前判斷列車(chē)即將進(jìn)入下一個(gè)基站的覆蓋范圍，從而控制列車(chē)的通信模塊提前做好切換準(zhǔn)備。通過(guò)精確的定位和合理的切換策略，能夠避免通信中斷或信號(hào)不穩(wěn)定的情況發(fā)生，保證列車(chē)與控制中心之間的數(shù)據(jù)傳輸順暢，為列車(chē)的安全運(yùn)行和高效控制提供有力支持。在道岔控制方面，列車(chē)定位技術(shù)同樣不可或缺。道岔是鐵路線(xiàn)路中用于引導(dǎo)列車(chē)轉(zhuǎn)向的關(guān)鍵設(shè)備，其正確控制對(duì)于列車(chē)的安全運(yùn)行至關(guān)重要。在高速磁懸浮交通等系統(tǒng)中，列車(chē)定位技術(shù)為道岔控制提供位置信息。當(dāng)列車(chē)接近道岔時(shí)，定位系統(tǒng)將列車(chē)的準(zhǔn)確位置信息傳輸給道岔控制系統(tǒng)。道岔控制系統(tǒng)根據(jù)列車(chē)的位置和運(yùn)行方向，提前將道岔調(diào)整到正確的位置，確保列車(chē)能夠安全、順利地通過(guò)道岔。如果列車(chē)定位不準(zhǔn)確，道岔控制可能出現(xiàn)錯(cuò)誤，導(dǎo)致列車(chē)脫軌等嚴(yán)重事故。因此，精確的列車(chē)定位技術(shù)是保障道岔正確控制和列車(chē)安全通過(guò)道岔的重要前提。三、現(xiàn)有列車(chē)定位方法3.1軌旁定位技術(shù)3.1.1軌道電路定位軌道電路以鐵路線(xiàn)路的兩根鋼軌作為導(dǎo)體，通過(guò)引接線(xiàn)連接信號(hào)發(fā)送、接收設(shè)備，構(gòu)成電氣回路。其工作原理基于電磁感應(yīng)和電路特性，當(dāng)列車(chē)進(jìn)入軌道電路區(qū)段時(shí)，列車(chē)車(chē)輪的金屬體將兩根鋼軌短接，形成分路效應(yīng)。這使得軌道電路的電氣參數(shù)發(fā)生顯著變化，如信號(hào)電流增大、電壓降低、阻抗減小等。信號(hào)接收設(shè)備通過(guò)檢測(cè)這些電氣參數(shù)的改變，便能判斷軌道區(qū)段是否被列車(chē)占用。例如，在傳統(tǒng)的直流軌道電路中，當(dāng)軌道區(qū)段空閑時(shí)，軌道繼電器保持吸起狀態(tài)；一旦列車(chē)進(jìn)入該區(qū)段，軌道繼電器因電氣參數(shù)變化而落下，以此指示列車(chē)的占用情況。數(shù)字音頻軌道電路是軌道電路的一種先進(jìn)形式，在城市軌道交通中得到廣泛應(yīng)用。以某城市地鐵采用的數(shù)字音頻軌道電路為例，其結(jié)構(gòu)包括室內(nèi)的信號(hào)發(fā)送單元、接收單元和室外的軌道電路設(shè)備。室外設(shè)備主要有調(diào)諧單元、S型連接導(dǎo)線(xiàn)和鋼軌。調(diào)諧單元由電容、電感等元件組成，用于實(shí)現(xiàn)軌道電路的電氣隔離和信號(hào)匹配。S型連接導(dǎo)線(xiàn)呈特殊的S形狀，安裝在兩根鋼軌之間，它不僅能平衡兩根鋼軌的牽引回流，還能有效實(shí)現(xiàn)相鄰軌道區(qū)段的電氣隔離，避免信號(hào)串?dāng)_。在列車(chē)定位方面，數(shù)字音頻軌道電路將線(xiàn)路劃分為多個(gè)軌道區(qū)段，每個(gè)區(qū)段都有唯一的編號(hào)。通過(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)各個(gè)軌道區(qū)段的占用狀態(tài)，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)確定列車(chē)所在的軌道區(qū)段，從而實(shí)現(xiàn)列車(chē)的定位。當(dāng)列車(chē)從一個(gè)軌道區(qū)段駛向另一個(gè)軌道區(qū)段時(shí)，軌道電路的占用狀態(tài)依次發(fā)生變化，系統(tǒng)根據(jù)這些變化信息，便可追蹤列車(chē)的運(yùn)行軌跡。例如，當(dāng)列車(chē)進(jìn)入編號(hào)為01的軌道區(qū)段時(shí)，該軌道區(qū)段的信號(hào)接收設(shè)備檢測(cè)到電氣參數(shù)變化，向控制系統(tǒng)發(fā)送列車(chē)占用信號(hào)，控制系統(tǒng)據(jù)此判斷列車(chē)位于01區(qū)段。隨著列車(chē)的行駛，當(dāng)它進(jìn)入編號(hào)為02的軌道區(qū)段時(shí)，01區(qū)段的占用信號(hào)消失，02區(qū)段的占用信號(hào)出現(xiàn)，系統(tǒng)及時(shí)更新列車(chē)的位置信息。數(shù)字音頻軌道電路定位具有可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，其成熟的技術(shù)和穩(wěn)定的電氣性能，使其在長(zhǎng)期的運(yùn)行過(guò)程中能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)列車(chē)的占用和位置信息。成本相對(duì)較低，主要利用現(xiàn)有的鋼軌作為傳輸介質(zhì)，減少了額外的線(xiàn)路鋪設(shè)成本。然而，它也存在明顯的局限性，定位精度較低，一般只能確定列車(chē)所在的軌道區(qū)段，無(wú)法精確到列車(chē)的具體位置，定位誤差通常在幾十米到上百米之間。并且，受軌道電路特性限制，其信號(hào)傳輸距離有限，對(duì)于長(zhǎng)距離的線(xiàn)路，需要設(shè)置多個(gè)軌道區(qū)段和信號(hào)設(shè)備，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。3.1.2信標(biāo)定位信標(biāo)定位是通過(guò)在軌道沿線(xiàn)安裝固定位置的信標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)列車(chē)定位的技術(shù)。信標(biāo)分為有源信標(biāo)和無(wú)源信標(biāo)。無(wú)源信標(biāo)類(lèi)似于非接觸式IC卡，當(dāng)列車(chē)經(jīng)過(guò)信標(biāo)所在位置時(shí)，車(chē)載天線(xiàn)發(fā)射的電磁波激勵(lì)信標(biāo)工作。信標(biāo)被激活后，將預(yù)先存儲(chǔ)的絕對(duì)位置信息以及可能包含的線(xiàn)路坡度、彎度等其他信息，通過(guò)電磁波傳遞給列車(chē)。有源信標(biāo)則通過(guò)電纜與地面電子單元（LEU）連接，可實(shí)時(shí)發(fā)送LEU傳送的數(shù)據(jù)報(bào)文。當(dāng)列車(chē)經(jīng)過(guò)有源信標(biāo)上方時(shí)，有源信標(biāo)接收車(chē)載天線(xiàn)發(fā)射的電磁能量，將其轉(zhuǎn)換成電能，使發(fā)射電路工作，從而將LEU傳輸?shù)臄?shù)據(jù)循環(huán)實(shí)時(shí)發(fā)送出去。在實(shí)際應(yīng)用中，信標(biāo)通常安裝在車(chē)站、道岔、區(qū)間的關(guān)鍵位置。在車(chē)站站臺(tái)區(qū)域，信標(biāo)被安裝在站臺(tái)邊緣的特定位置，為列車(chē)提供精確的停車(chē)位置參考，確保列車(chē)能夠準(zhǔn)確?？吭谡九_(tái)，方便乘客上下車(chē)。在道岔處，信標(biāo)安裝在道岔附近，用于輔助列車(chē)控制系統(tǒng)確定道岔的位置和狀態(tài)，以及列車(chē)在道岔區(qū)域的行駛方向和位置，保障列車(chē)安全通過(guò)道岔。信標(biāo)定位具有高精度的特點(diǎn)，其定位精度可達(dá)厘米量級(jí)，能夠?yàn)榱熊?chē)提供精確的絕對(duì)位置參考點(diǎn)。這使得信標(biāo)在列車(chē)的精確停車(chē)、位置校正等方面發(fā)揮著重要作用。當(dāng)列車(chē)進(jìn)站停車(chē)時(shí)，利用信標(biāo)提供的精確位置信息，列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠精確控制列車(chē)的制動(dòng)時(shí)機(jī)和制動(dòng)力度，實(shí)現(xiàn)列車(chē)的精準(zhǔn)停車(chē)，提高乘客的上下車(chē)體驗(yàn)。然而，信標(biāo)定位也存在一定的局限性。由于信標(biāo)是離散安裝的，信息傳遞具有間斷性。列車(chē)只有在經(jīng)過(guò)信標(biāo)時(shí)才能獲取位置信息，在兩個(gè)信標(biāo)之間的區(qū)域，列車(chē)無(wú)法實(shí)時(shí)更新位置信息，存在定位盲區(qū)。這使得信標(biāo)定位技術(shù)難以單獨(dú)滿(mǎn)足列車(chē)連續(xù)定位的需求，往往需要與其他定位技術(shù)相結(jié)合。在安裝和維護(hù)方面，信標(biāo)的安裝位置需要經(jīng)過(guò)精確測(cè)量和規(guī)劃，以確保每個(gè)信標(biāo)的位置信息準(zhǔn)確無(wú)誤，從而保證列車(chē)定位的精度。信標(biāo)在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，可能會(huì)受到外界環(huán)境因素的影響，如潮濕、灰塵、振動(dòng)等，導(dǎo)致信標(biāo)性能下降或故障。因此，需要定期對(duì)信標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)和維護(hù)，包括檢查信標(biāo)的電氣性能、通信功能以及外殼的完整性等。同時(shí)，由于信標(biāo)數(shù)量較多，分布范圍廣，維護(hù)工作需要耗費(fèi)一定的人力、物力和時(shí)間成本。3.1.3電纜環(huán)線(xiàn)定位電纜環(huán)線(xiàn)定位技術(shù)的工作原理基于電磁感應(yīng)。在軌道沿線(xiàn)的道床中鋪設(shè)電纜環(huán)線(xiàn)，電纜環(huán)線(xiàn)通常采用交叉方式敷設(shè)，相鄰環(huán)線(xiàn)之間存在一定的電磁耦合。當(dāng)列車(chē)在軌道上運(yùn)行時(shí)，列車(chē)上的感應(yīng)線(xiàn)圈與電纜環(huán)線(xiàn)產(chǎn)生電磁感應(yīng)，通過(guò)檢測(cè)感應(yīng)信號(hào)的變化來(lái)確定列車(chē)的位置。具體來(lái)說(shuō)，電纜環(huán)線(xiàn)中的信號(hào)源發(fā)出特定頻率的信號(hào)，當(dāng)列車(chē)靠近時(shí)，列車(chē)上的感應(yīng)線(xiàn)圈會(huì)感應(yīng)到該信號(hào)，并且由于列車(chē)與不同位置的電纜環(huán)線(xiàn)的相對(duì)位置關(guān)系不同，感應(yīng)信號(hào)的強(qiáng)度、相位等參數(shù)也會(huì)發(fā)生變化。通過(guò)對(duì)這些感應(yīng)信號(hào)參數(shù)的分析和處理，就可以計(jì)算出列車(chē)相對(duì)于電纜環(huán)線(xiàn)的位置。在復(fù)雜環(huán)境下，如隧道、地下停車(chē)場(chǎng)等電磁環(huán)境復(fù)雜的區(qū)域，電纜環(huán)線(xiàn)定位具有一定的優(yōu)勢(shì)。由于其信號(hào)傳輸是基于電磁感應(yīng)，在這些區(qū)域中，受外界電磁干擾的影響相對(duì)較小，能夠較為穩(wěn)定地工作。在隧道中，雖然存在各種電氣設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾，但電纜環(huán)線(xiàn)的信號(hào)傳輸特性使得它能夠有效地抵御這些干擾，為列車(chē)提供可靠的定位信息。然而，電纜環(huán)線(xiàn)定位也存在一些不足之處。電纜環(huán)線(xiàn)的鋪設(shè)成本較高，需要在軌道道床中進(jìn)行大量的電纜敷設(shè)工作，施工難度較大，且后期維護(hù)較為復(fù)雜。而且，其定位精度相對(duì)有限，一般在厘米級(jí)到分米級(jí)之間，難以滿(mǎn)足對(duì)高精度定位要求苛刻的應(yīng)用場(chǎng)景。電纜環(huán)線(xiàn)定位適用于一些對(duì)定位精度要求不是特別高，但對(duì)可靠性要求較高的場(chǎng)景。在城市軌道交通的車(chē)輛段內(nèi)，列車(chē)的運(yùn)行速度相對(duì)較低，對(duì)定位精度的要求不像正線(xiàn)那樣嚴(yán)格，而車(chē)輛段內(nèi)的環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，存在各種機(jī)械設(shè)備和電氣設(shè)備。電纜環(huán)線(xiàn)定位技術(shù)能夠在這種環(huán)境下穩(wěn)定工作，為車(chē)輛段內(nèi)的列車(chē)調(diào)度和管理提供可靠的位置信息，確保列車(chē)在車(chē)輛段內(nèi)的安全、有序運(yùn)行。3.1.4裂縫波導(dǎo)定位裂縫波導(dǎo)是一種特殊的傳輸介質(zhì)，通常為中空的鋁質(zhì)矩形管，在其頂部等間隔開(kāi)有窄縫。其傳輸特性基于電磁波在波導(dǎo)中的傳播原理，當(dāng)電磁波在裂縫波導(dǎo)中傳播時(shí)，部分能量會(huì)通過(guò)窄縫耦合到波導(dǎo)外部，形成不均勻的場(chǎng)強(qiáng)分布。在列車(chē)定位方面，裂縫波導(dǎo)利用其場(chǎng)強(qiáng)分布特性來(lái)確定列車(chē)的位置。通過(guò)在軌道沿線(xiàn)鋪設(shè)裂縫波導(dǎo)，當(dāng)列車(chē)在軌道上運(yùn)行時(shí)，列車(chē)上的接收裝置會(huì)采集裂縫波導(dǎo)周?chē)膱?chǎng)強(qiáng)信號(hào)。由于列車(chē)與裂縫波導(dǎo)的相對(duì)位置不同，接收裝置采集到的場(chǎng)強(qiáng)信號(hào)也會(huì)不同。例如，當(dāng)列車(chē)靠近裂縫波導(dǎo)時(shí)，接收裝置接收到的場(chǎng)強(qiáng)信號(hào)較強(qiáng)；當(dāng)列車(chē)遠(yuǎn)離時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)信號(hào)較弱。通過(guò)對(duì)采集到的場(chǎng)強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行分析和處理，如計(jì)算場(chǎng)強(qiáng)的變化率、信號(hào)的相位差等，就可以確定列車(chē)的位置。在城市軌道交通中，裂縫波導(dǎo)定位具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。它能夠提供較高的定位精度，通過(guò)對(duì)場(chǎng)強(qiáng)信號(hào)的精確分析，定位精度可達(dá)到厘米級(jí)甚至更高。這使得它能夠滿(mǎn)足城市軌道交通對(duì)列車(chē)精確定位的需求，特別是在列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行、精確停車(chē)等方面發(fā)揮重要作用。裂縫波導(dǎo)還具有較強(qiáng)的抗干擾能力。由于其信號(hào)傳輸是在波導(dǎo)內(nèi)部進(jìn)行，外界的電磁干擾對(duì)其影響較小，能夠在復(fù)雜的城市電磁環(huán)境中穩(wěn)定工作，保證列車(chē)定位的可靠性。此外，裂縫波導(dǎo)還可以作為車(chē)地信息交換的傳輸通道，實(shí)現(xiàn)列車(chē)與地面設(shè)備之間的雙向通信，為列車(chē)控制系統(tǒng)提供更多的信息支持。3.1.5擴(kuò)頻電臺(tái)定位擴(kuò)頻通信是利用帶寬遠(yuǎn)大于信息本身所需帶寬的信號(hào)進(jìn)行傳輸?shù)囊环N通信方式。其基本原理是通過(guò)獨(dú)立的碼序列對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行編碼和調(diào)制，將信號(hào)的頻譜擴(kuò)展到一個(gè)很寬的頻帶上。在發(fā)送端，待傳輸?shù)男畔⑹紫缺痪幋a為二進(jìn)制比特流，然后與一個(gè)高速的偽隨機(jī)碼序列進(jìn)行異或運(yùn)算，得到一個(gè)寬帶的調(diào)制信號(hào)。這個(gè)調(diào)制信號(hào)的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原始信息的帶寬。經(jīng)過(guò)調(diào)制后的信號(hào)通過(guò)射頻發(fā)生器進(jìn)行上變頻處理，轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)后通過(guò)天線(xiàn)發(fā)送出去。在接收端，天線(xiàn)接收到射頻信號(hào)后，首先通過(guò)低噪聲放大器進(jìn)行放大處理，然后經(jīng)過(guò)下變頻器進(jìn)行下變頻處理，將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為中頻信號(hào)。接著，中頻信號(hào)通過(guò)解調(diào)器進(jìn)行解調(diào)處理，利用與發(fā)送端相同的偽隨機(jī)碼序列進(jìn)行逆運(yùn)算，將接收到的寬帶信號(hào)還原為原始的數(shù)字信息。最后，經(jīng)過(guò)解調(diào)處理后的信息將被解碼為原始的二進(jìn)制比特流，從而完成整個(gè)通信過(guò)程。在列車(chē)定位中，擴(kuò)頻電臺(tái)通過(guò)與地面基站進(jìn)行通信來(lái)確定列車(chē)的位置。在軌道沿線(xiàn)設(shè)置多個(gè)地面基站，列車(chē)上安裝擴(kuò)頻電臺(tái)。列車(chē)運(yùn)行時(shí)，擴(kuò)頻電臺(tái)向地面基站發(fā)送定位信息，地面基站接收到信息后，根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)度、到達(dá)時(shí)間等參數(shù)，通過(guò)特定的算法計(jì)算出列車(chē)與基站之間的距離和角度。通過(guò)多個(gè)基站的協(xié)同工作，利用三角定位等方法，就可以確定列車(chē)的位置。擴(kuò)頻電臺(tái)在列車(chē)定位中具有較強(qiáng)的抗干擾能力。由于其信號(hào)在很寬的頻帶上傳輸，即使部分頻譜受到干擾，依然可以從剩余的頻譜中恢復(fù)信息。在城市軌道交通環(huán)境中，存在各種電磁干擾源，如通信基站、電氣設(shè)備等，擴(kuò)頻電臺(tái)能夠有效抵抗這些干擾，保證定位信號(hào)的穩(wěn)定傳輸。然而，擴(kuò)頻電臺(tái)定位也存在一些問(wèn)題。在地鐵隧道等特殊環(huán)境中，由于隧道的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生反射、折射等影響，導(dǎo)致信號(hào)傳輸受到一定的阻礙。特別是在隧道的拐彎處，信號(hào)的傳播路徑會(huì)變得更加復(fù)雜，可能需要安裝信號(hào)中繼設(shè)備來(lái)保證信號(hào)的覆蓋和傳輸質(zhì)量。3.2車(chē)載定位技術(shù)3.2.1編碼里程儀定位編碼里程儀通常安裝在列車(chē)的輪軸上，其工作原理基于車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)數(shù)。當(dāng)列車(chē)運(yùn)行時(shí)，車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)編碼里程儀的軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，編碼里程儀通過(guò)內(nèi)部的編碼器將車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出。編碼器一般采用光電式或電磁式原理，以光電式編碼器為例，其內(nèi)部包含一個(gè)帶有均勻分布透光槽的碼盤(pán)和一組光電傳感器。當(dāng)碼盤(pán)隨車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光線(xiàn)會(huì)周期性地透過(guò)透光槽照射到光電傳感器上，光電傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而產(chǎn)生一系列的脈沖信號(hào)。這些脈沖信號(hào)的數(shù)量與車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)成正比，通過(guò)對(duì)脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)，就可以計(jì)算出列車(chē)車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)。根據(jù)車(chē)輪的直徑以及轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，利用公式S=n\times\pi\timesD（其中S為列車(chē)運(yùn)行距離，n為車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，D為車(chē)輪直徑），可以精確計(jì)算出列車(chē)運(yùn)行的距離。再結(jié)合列車(chē)的初始位置信息，就能實(shí)時(shí)確定列車(chē)在線(xiàn)路上的位置。例如，某列車(chē)的車(chē)輪直徑為0.8m，編碼里程儀每檢測(cè)到1000個(gè)脈沖信號(hào)，車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈。當(dāng)列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，編碼里程儀累計(jì)檢測(cè)到5000個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)，根據(jù)上述公式可計(jì)算出列車(chē)運(yùn)行的距離為S=\frac{5000}{1000}\times\pi\times0.8\approx12.57m。然而，編碼里程儀定位存在一些不可避免的誤差。車(chē)輪打滑是導(dǎo)致誤差的一個(gè)重要因素。在列車(chē)啟動(dòng)、制動(dòng)或在濕滑軌道上行駛時(shí)，車(chē)輪與軌道之間的摩擦力減小，容易發(fā)生打滑現(xiàn)象。當(dāng)車(chē)輪打滑時(shí)，車(chē)輪的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)與列車(chē)的實(shí)際運(yùn)行距離不匹配，導(dǎo)致編碼里程儀計(jì)算出的列車(chē)運(yùn)行距離出現(xiàn)偏差。如果車(chē)輪打滑10%，對(duì)于運(yùn)行距離為100m的列車(chē)，編碼里程儀計(jì)算出的距離將比實(shí)際距離少10m。車(chē)輪磨損也會(huì)對(duì)定位精度產(chǎn)生影響。隨著列車(chē)的長(zhǎng)期運(yùn)行，車(chē)輪會(huì)逐漸磨損，導(dǎo)致車(chē)輪直徑變小。車(chē)輪直徑的變化會(huì)使上述計(jì)算公式中的D值發(fā)生改變，從而使計(jì)算出的列車(chē)運(yùn)行距離出現(xiàn)誤差。例如，車(chē)輪直徑初始值為0.8m，磨損后變?yōu)?.78m，對(duì)于同樣的車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，按照初始直徑計(jì)算出的列車(chē)運(yùn)行距離會(huì)比實(shí)際距離偏大。為解決這些誤差問(wèn)題，常采用多種方法進(jìn)行補(bǔ)償?？梢越Y(jié)合其他定位技術(shù)，如信標(biāo)定位。信標(biāo)通常安裝在軌道沿線(xiàn)的特定位置，當(dāng)列車(chē)經(jīng)過(guò)信標(biāo)時(shí)，可獲取信標(biāo)的精確位置信息。利用信標(biāo)提供的精確位置信息，對(duì)編碼里程儀計(jì)算出的列車(chē)位置進(jìn)行校正，消除因車(chē)輪打滑、磨損等因素產(chǎn)生的累計(jì)誤差。還可以通過(guò)建立車(chē)輪打滑和磨損模型，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車(chē)輪的狀態(tài)。利用傳感器監(jiān)測(cè)車(chē)輪與軌道之間的壓力、摩擦力等參數(shù)，通過(guò)算法判斷車(chē)輪是否打滑，并根據(jù)打滑程度對(duì)編碼里程儀的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正。對(duì)于車(chē)輪磨損，可以定期測(cè)量車(chē)輪直徑，根據(jù)測(cè)量結(jié)果更新編碼里程儀的計(jì)算參數(shù)，以提高定位精度。3.2.2雷達(dá)定位雷達(dá)定位技術(shù)在列車(chē)定位中發(fā)揮著重要作用，其原理基于多普勒效應(yīng)。當(dāng)列車(chē)運(yùn)行時(shí)，雷達(dá)向周?chē)h(huán)境發(fā)射電磁波，電磁波遇到固定物體（如軌道、地面等）后會(huì)發(fā)生反射。由于列車(chē)與反射物體之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)多普勒效應(yīng)，反射回來(lái)的電磁波頻率會(huì)發(fā)生變化。雷達(dá)通過(guò)檢測(cè)發(fā)射波與反射波之間的頻率差（即多普勒頻移），可以計(jì)算出列車(chē)與反射物體之間的相對(duì)速度。假設(shè)雷達(dá)發(fā)射的電磁波頻率為f_0，反射波頻率為f_1，列車(chē)運(yùn)行速度為v，電磁波在空氣中的傳播速度為c，根據(jù)多普勒效應(yīng)公式f_1=f_0\times\frac{c+v}{c-v}（當(dāng)列車(chē)靠近反射物體時(shí)），可以推導(dǎo)出列車(chē)速度v=c\times\frac{f_1-f_0}{f_1+f_0}。通過(guò)對(duì)速度的積分，即S=\int_{0}^{t}v(t)dt（其中S為列車(chē)運(yùn)行距離，t為時(shí)間），就可以計(jì)算出列車(chē)運(yùn)行的距離，進(jìn)而確定列車(chē)的位置。在實(shí)際應(yīng)用中，以某城市地鐵線(xiàn)路采用的雷達(dá)定位系統(tǒng)為例。該系統(tǒng)在列車(chē)頭部安裝了多普勒雷達(dá)，在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，雷達(dá)不斷向軌道前方發(fā)射電磁波，并接收反射波。通過(guò)對(duì)多普勒頻移的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和計(jì)算，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)獲取列車(chē)的速度信息。在列車(chē)進(jìn)站過(guò)程中，當(dāng)列車(chē)距離站臺(tái)還有一定距離時(shí)，雷達(dá)定位系統(tǒng)根據(jù)計(jì)算出的列車(chē)速度和位置信息，配合列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)，精確控制列車(chē)的制動(dòng)時(shí)機(jī)和制動(dòng)力度，使列車(chē)能夠準(zhǔn)確?？吭谡九_(tái)指定位置。在一次實(shí)際測(cè)試中，該地鐵線(xiàn)路的列車(chē)?yán)美走_(dá)定位系統(tǒng)，在進(jìn)站停車(chē)時(shí)，停車(chē)誤差控制在了±0.2m以?xún)?nèi)，大大提高了列車(chē)?？康臏?zhǔn)確性和乘客上下車(chē)的便利性。然而，雷達(dá)定位在實(shí)際應(yīng)用中也存在一些局限性。在復(fù)雜的城市軌道交通環(huán)境中，存在大量的干擾源，如其他列車(chē)、周?chē)ㄖ铩㈦姎庠O(shè)備等。這些干擾源可能會(huì)反射雷達(dá)信號(hào)，產(chǎn)生多徑效應(yīng)，導(dǎo)致雷達(dá)接收到的反射波信號(hào)混亂，影響對(duì)列車(chē)速度和位置的準(zhǔn)確測(cè)量。在隧道內(nèi)，由于隧道壁的反射作用，雷達(dá)信號(hào)會(huì)產(chǎn)生多次反射，形成復(fù)雜的多徑信號(hào)，使雷達(dá)難以準(zhǔn)確分辨出與列車(chē)實(shí)際位置相關(guān)的信號(hào)，從而降低定位精度。為了克服這些問(wèn)題，通常采用信號(hào)處理技術(shù)對(duì)雷達(dá)接收到的信號(hào)進(jìn)行濾波、去噪和多徑抑制處理。采用自適應(yīng)濾波算法，根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)實(shí)時(shí)調(diào)整濾波器的參數(shù)，有效去除噪聲和干擾信號(hào)；利用多徑抑制算法，對(duì)多徑信號(hào)進(jìn)行分析和處理，提取出真實(shí)的反射信號(hào)，提高雷達(dá)定位的準(zhǔn)確性。3.2.3衛(wèi)星導(dǎo)航定位衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)在城市軌道交通中具有重要的應(yīng)用價(jià)值，以全球定位系統(tǒng)（GPS）和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）為例，它們的定位原理基于衛(wèi)星與地面接收設(shè)備之間的距離測(cè)量。這些衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由多顆衛(wèi)星組成衛(wèi)星星座，分布在不同的軌道上。每顆衛(wèi)星都配備有高精度的原子鐘，用于精確計(jì)時(shí)，并持續(xù)向地面發(fā)射包含衛(wèi)星位置、時(shí)間信息等的信號(hào)。在地面上，列車(chē)上安裝的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)接收到至少四顆衛(wèi)星的信號(hào)。通過(guò)測(cè)量衛(wèi)星信號(hào)從衛(wèi)星發(fā)射到接收機(jī)接收所經(jīng)歷的時(shí)間延遲，結(jié)合光速不變?cè)?，利用公式d=c\times\Deltat（其中d為衛(wèi)星與接收機(jī)之間的距離，c為光速，\Deltat為信號(hào)傳播時(shí)間延遲），可以計(jì)算出衛(wèi)星與接收機(jī)之間的距離。由于衛(wèi)星的位置是已知的，通過(guò)解算多個(gè)衛(wèi)星與接收機(jī)之間的距離方程，就可以確定接收機(jī)的三維坐標(biāo)，即列車(chē)的位置。在實(shí)際定位過(guò)程中，通常采用三角測(cè)量法，通過(guò)測(cè)量三顆衛(wèi)星與接收機(jī)之間的距離，確定三個(gè)球面，這三個(gè)球面的交點(diǎn)即為接收機(jī)的位置。為了提高定位精度，還需要考慮衛(wèi)星鐘誤差、大氣延遲等因素的影響，并通過(guò)相應(yīng)的模型進(jìn)行修正。盡管衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)具有全球覆蓋、高精度等優(yōu)勢(shì)，但在城市軌道交通中應(yīng)用時(shí)仍存在一些局限性。在城市環(huán)境中，高樓大廈林立，衛(wèi)星信號(hào)容易受到遮擋。當(dāng)列車(chē)行駛在高樓之間或進(jìn)入隧道時(shí)，衛(wèi)星信號(hào)可能會(huì)被建筑物或山體阻擋，導(dǎo)致信號(hào)減弱甚至丟失，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)定位或定位精度大幅下降。在一些高樓密集的城市區(qū)域，衛(wèi)星信號(hào)被遮擋的概率較高，定位精度可能會(huì)從正常情況下的幾米下降到幾十米甚至無(wú)法定位。衛(wèi)星信號(hào)還容易受到電磁干擾的影響，城市中存在各種電氣設(shè)備、通信基站等，它們產(chǎn)生的電磁輻射可能會(huì)干擾衛(wèi)星信號(hào)的接收，導(dǎo)致定位誤差增大。為了克服這些局限性，通常采取一系列改進(jìn)措施。采用多星座融合技術(shù)，將GPS、BDS等多個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號(hào)進(jìn)行融合處理。不同衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星分布在不同的軌道上，通過(guò)融合多個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)，可以增加可見(jiàn)衛(wèi)星的數(shù)量，提高信號(hào)的可用性和定位精度。在一些城市軌道交通線(xiàn)路中，采用GPS與BDS融合定位技術(shù)后，定位精度比單獨(dú)使用GPS或BDS提高了約30%。還可以結(jié)合慣性導(dǎo)航等其他定位技術(shù)。當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)受到遮擋或干擾時(shí)，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可以利用加速度計(jì)和陀螺儀測(cè)量列車(chē)的加速度和角速度，通過(guò)積分運(yùn)算推算出列車(chē)的位置和姿態(tài)變化，為列車(chē)提供連續(xù)的定位信息。通過(guò)卡爾曼濾波等算法將衛(wèi)星導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高定位的可靠性和精度。3.2.4慣性導(dǎo)航定位慣性導(dǎo)航定位技術(shù)是基于加速度計(jì)和陀螺儀的測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)列車(chē)定位的。加速度計(jì)用于測(cè)量列車(chē)在三個(gè)軸向（通常為X、Y、Z軸）上的加速度，陀螺儀則用于測(cè)量列車(chē)?yán)@三個(gè)軸向的角速度。在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，加速度計(jì)實(shí)時(shí)檢測(cè)列車(chē)的加速度信息。假設(shè)在初始時(shí)刻t_0，列車(chē)的初始速度為v_0，初始位置為x_0。在時(shí)間間隔\Deltat內(nèi)，加速度計(jì)測(cè)量得到的加速度為a(t)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式v(t)=v_0+\int_{t_0}^{t}a(t)dt，可以計(jì)算出列車(chē)在時(shí)刻t的速度v(t)。再根據(jù)x(t)=x_0+\int_{t_0}^{t}v(t)dt，可以計(jì)算出列車(chē)在時(shí)刻t的位置x(t)。陀螺儀測(cè)量得到的角速度信息則用于確定列車(chē)的姿態(tài)變化，通過(guò)積分運(yùn)算可以得到列車(chē)在各個(gè)方向上的角度變化，從而對(duì)列車(chē)的位置計(jì)算進(jìn)行修正，確保定位的準(zhǔn)確性。然而，慣性導(dǎo)航存在誤差積累問(wèn)題。由于加速度計(jì)和陀螺儀本身存在測(cè)量誤差，這些誤差會(huì)隨著時(shí)間的推移不斷積累。即使是高精度的慣性傳感器，其測(cè)量誤差也難以完全消除。加速度計(jì)的零偏誤差會(huì)導(dǎo)致測(cè)量的加速度存在固定偏差，隨著積分運(yùn)算的進(jìn)行，速度和位置的計(jì)算誤差會(huì)越來(lái)越大。在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)計(jì)算出的列車(chē)位置可能會(huì)與實(shí)際位置產(chǎn)生較大偏差，影響定位的準(zhǔn)確性。例如，在運(yùn)行1小時(shí)后，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的定位誤差可能會(huì)達(dá)到幾十米甚至上百米。為了解決誤差積累問(wèn)題，通常采用多種補(bǔ)償方法。定期對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)是一種常用的方法?？梢岳闷渌呔鹊亩ㄎ患夹g(shù)，如衛(wèi)星導(dǎo)航定位、信標(biāo)定位等，在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)獲取到這些高精度定位信息時(shí)，將其作為參考，對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差進(jìn)行校正。在列車(chē)經(jīng)過(guò)信標(biāo)時(shí)，利用信標(biāo)提供的精確位置信息，對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)計(jì)算出的列車(chē)位置進(jìn)行修正，消除累計(jì)誤差。還可以采用先進(jìn)的濾波算法，如卡爾曼濾波?？柭鼮V波算法通過(guò)建立系統(tǒng)的狀態(tài)方程和觀(guān)測(cè)方程，對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)，能夠有效地抑制誤差的積累，提高定位精度。它利用前一時(shí)刻的狀態(tài)估計(jì)值和當(dāng)前時(shí)刻的測(cè)量值，通過(guò)遞推計(jì)算得到當(dāng)前時(shí)刻的最優(yōu)狀態(tài)估計(jì)值，從而減小誤差對(duì)定位結(jié)果的影響。四、多傳感器信息融合定位方法4.1多傳感器信息融合的必要性在城市軌道交通的復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境中，單一傳感器定位技術(shù)存在諸多局限性，難以滿(mǎn)足列車(chē)對(duì)高精度、高可靠性定位的嚴(yán)格要求。以衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)為例，雖然其在開(kāi)闊環(huán)境下能夠提供高精度的定位信息，定位精度可達(dá)米級(jí)甚至厘米級(jí)，然而在城市軌道交通的實(shí)際場(chǎng)景中，衛(wèi)星信號(hào)極易受到高樓大廈、隧道等遮擋物的影響。在高樓林立的市區(qū)，衛(wèi)星信號(hào)被遮擋的概率大幅增加，信號(hào)強(qiáng)度減弱，導(dǎo)致定位精度嚴(yán)重下降，甚至可能出現(xiàn)信號(hào)丟失的情況，無(wú)法為列車(chē)提供有效的定位信息。在隧道內(nèi)，衛(wèi)星信號(hào)幾乎完全被屏蔽，衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)基本無(wú)法工作?；谳嗇S速度傳感器的定位方法，主要通過(guò)檢測(cè)車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)計(jì)算列車(chē)的運(yùn)行距離和速度，從而確定列車(chē)位置。但這種方法受車(chē)輪打滑、空轉(zhuǎn)以及車(chē)輪磨損等因素影響較大。在列車(chē)啟動(dòng)、制動(dòng)或遇到濕滑軌道時(shí)，車(chē)輪容易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，導(dǎo)致車(chē)輪的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)與列車(chē)的實(shí)際運(yùn)行距離不匹配，進(jìn)而使定位誤差顯著增大。車(chē)輪的長(zhǎng)期磨損會(huì)導(dǎo)致車(chē)輪直徑變小，根據(jù)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)算出的列車(chē)運(yùn)行距離也會(huì)出現(xiàn)偏差，隨著列車(chē)運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，這種累積誤差會(huì)越來(lái)越大，嚴(yán)重影響定位的準(zhǔn)確性。為了克服單一傳感器定位的局限性，多傳感器信息融合技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)通過(guò)對(duì)多種不同類(lèi)型傳感器獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、分析和處理，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從而有效提高列車(chē)定位的精度和可靠性。將衛(wèi)星導(dǎo)航定位與慣性導(dǎo)航定位相結(jié)合，在衛(wèi)星信號(hào)良好的區(qū)域，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能夠提供高精度的絕對(duì)位置信息，為列車(chē)定位提供準(zhǔn)確的參考；而當(dāng)列車(chē)進(jìn)入衛(wèi)星信號(hào)遮擋區(qū)域時(shí)，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)則發(fā)揮作用，通過(guò)測(cè)量列車(chē)的加速度和角速度，利用積分運(yùn)算推算列車(chē)的位置和姿態(tài)變化，為列車(chē)提供連續(xù)的相對(duì)定位信息。通過(guò)卡爾曼濾波等算法對(duì)兩者的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，能夠在不同環(huán)境下都為列車(chē)提供較為準(zhǔn)確和可靠的定位結(jié)果。多傳感器信息融合還能提高定位系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)某一傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，其他傳感器的數(shù)據(jù)可以繼續(xù)為定位提供支持，確保定位系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)出現(xiàn)信號(hào)異常時(shí)，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、輪軸速度傳感器等其他傳感器可以維持定位功能，使列車(chē)能夠繼續(xù)安全運(yùn)行。這種冗余設(shè)計(jì)大大增強(qiáng)了定位系統(tǒng)的容錯(cuò)能力，降低了因單個(gè)傳感器故障而導(dǎo)致定位失效的風(fēng)險(xiǎn)，為城市軌道交通的安全運(yùn)營(yíng)提供了更可靠的保障。4.2融合的傳感器類(lèi)型及特點(diǎn)在多傳感器信息融合的列車(chē)定位系統(tǒng)中，常用的傳感器類(lèi)型包括輪軸速度傳感器、多普勒雷達(dá)速度傳感器、加速度計(jì)和查詢(xún)應(yīng)答器等，它們各自具有獨(dú)特的特點(diǎn)。輪軸速度傳感器通過(guò)檢測(cè)車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)測(cè)量列車(chē)速度，其工作原理基于電磁感應(yīng)或光電轉(zhuǎn)換。以電磁式輪軸速度傳感器為例，它主要由永久磁鐵、感應(yīng)線(xiàn)圈和齒輪組成。當(dāng)列車(chē)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，齒輪的齒與齒之間的間隙會(huì)周期性地改變永久磁鐵與感應(yīng)線(xiàn)圈之間的磁通量，從而在感應(yīng)線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率與車(chē)輪的轉(zhuǎn)速成正比，通過(guò)測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率，就可以計(jì)算出列車(chē)的速度。這種傳感器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低，在城市軌道交通中應(yīng)用廣泛。然而，它的測(cè)量精度容易受到車(chē)輪打滑、空轉(zhuǎn)以及車(chē)輪磨損等因素的影響。在列車(chē)啟動(dòng)、制動(dòng)或在濕滑軌道上行駛時(shí)，車(chē)輪與軌道之間的摩擦力減小，容易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，導(dǎo)致測(cè)量的速度與列車(chē)實(shí)際速度不符，產(chǎn)生較大誤差。車(chē)輪的長(zhǎng)期磨損會(huì)導(dǎo)致車(chē)輪直徑變小，根據(jù)車(chē)輪轉(zhuǎn)速計(jì)算出的列車(chē)速度也會(huì)出現(xiàn)偏差。多普勒雷達(dá)速度傳感器則是基于多普勒效應(yīng)來(lái)測(cè)量列車(chē)速度。當(dāng)雷達(dá)發(fā)射的電磁波遇到運(yùn)動(dòng)的列車(chē)時(shí)，反射波的頻率會(huì)發(fā)生變化，這種頻率變化與列車(chē)的運(yùn)動(dòng)速度成正比。通過(guò)測(cè)量發(fā)射波與反射波之間的頻率差（即多普勒頻移），可以精確計(jì)算出列車(chē)的速度。在城市軌道交通中，多普勒雷達(dá)速度傳感器能夠在復(fù)雜的環(huán)境下提供較為準(zhǔn)確的速度測(cè)量，尤其在高速行駛時(shí)，其測(cè)量精度優(yōu)勢(shì)更為明顯。在列車(chē)以較高速度通過(guò)彎道時(shí)，輪軸速度傳感器可能會(huì)因車(chē)輪與軌道之間的復(fù)雜作用力而產(chǎn)生較大誤差，而多普勒雷達(dá)速度傳感器則能相對(duì)穩(wěn)定地測(cè)量列車(chē)速度。然而，在列車(chē)速度較低時(shí)，多普勒效應(yīng)不明顯，導(dǎo)致測(cè)速精度下降。在列車(chē)進(jìn)站減速過(guò)程中，當(dāng)速度降低到一定程度后，多普勒雷達(dá)速度傳感器的測(cè)速誤差會(huì)顯著增大。加速度計(jì)用于測(cè)量列車(chē)的加速度，其工作原理基于牛頓第二定律。常見(jiàn)的加速度計(jì)有壓電式、電容式等。以壓電式加速度計(jì)為例，它利用壓電材料在受到加速度作用時(shí)產(chǎn)生電荷的特性來(lái)測(cè)量加速度。當(dāng)列車(chē)加速或減速時(shí)，加速度計(jì)內(nèi)部的質(zhì)量塊會(huì)產(chǎn)生慣性力，使壓電材料產(chǎn)生電荷，電荷的大小與加速度成正比。通過(guò)測(cè)量電荷的大小，就可以計(jì)算出列車(chē)的加速度。加速度計(jì)的測(cè)量精度較高，能夠準(zhǔn)確反映列車(chē)的加速度變化。在列車(chē)啟動(dòng)加速和制動(dòng)減速過(guò)程中，加速度計(jì)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加速度的變化情況。而且，它不受軌道狀況和車(chē)輪狀態(tài)的影響，穩(wěn)定性較好。然而，加速度計(jì)測(cè)量的是加速度信息，需要通過(guò)積分運(yùn)算才能得到速度和位置信息，在積分過(guò)程中容易產(chǎn)生累積誤差，隨著時(shí)間的推移，誤差會(huì)逐漸增大。查詢(xún)應(yīng)答器是一種點(diǎn)式定位設(shè)備，它安裝在軌道沿線(xiàn)的特定位置，如車(chē)站、道岔等。查詢(xún)應(yīng)答器分為有源和無(wú)源兩種類(lèi)型。無(wú)源查詢(xún)應(yīng)答器內(nèi)部沒(méi)有電源，當(dāng)列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)，車(chē)載天線(xiàn)發(fā)射的電磁波激勵(lì)應(yīng)答器工作，應(yīng)答器將預(yù)先存儲(chǔ)的位置信息、線(xiàn)路參數(shù)等數(shù)據(jù)發(fā)送給列車(chē)。有源查詢(xún)應(yīng)答器則通過(guò)電纜與地面電子單元（LEU）連接，可實(shí)時(shí)發(fā)送LEU傳送的數(shù)據(jù)報(bào)文。查詢(xún)應(yīng)答器的定位精度非常高，能夠?yàn)榱熊?chē)提供精確的絕對(duì)位置參考點(diǎn)。在列車(chē)進(jìn)站停車(chē)時(shí)，利用查詢(xún)應(yīng)答器提供的精確位置信息，列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)可以精確控制列車(chē)的制動(dòng)時(shí)機(jī)和制動(dòng)力度，實(shí)現(xiàn)列車(chē)的精準(zhǔn)停車(chē)。但是，查詢(xún)應(yīng)答器是離散安裝的，只有列車(chē)經(jīng)過(guò)應(yīng)答器時(shí)才能獲取位置信息，在兩個(gè)應(yīng)答器之間存在定位盲區(qū)，無(wú)法提供連續(xù)的位置信息。4.3多傳感器信息融合算法4.3.1Kalman濾波融合算法Kalman濾波算法是一種基于線(xiàn)性系統(tǒng)狀態(tài)空間模型的最優(yōu)遞歸濾波算法，由匈牙利裔美國(guó)數(shù)學(xué)家魯?shù)婪?卡爾曼（RudolfE.Kálmán）于1960年提出。該算法通過(guò)系統(tǒng)的狀態(tài)方程和觀(guān)測(cè)方程，利用前一時(shí)刻的狀態(tài)估計(jì)值和當(dāng)前時(shí)刻的觀(guān)測(cè)值，遞歸地計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的最優(yōu)狀態(tài)估計(jì)值。在列車(chē)定位中，Kalman濾波算法將列車(chē)的位置、速度等狀態(tài)變量作為系統(tǒng)狀態(tài)，將各個(gè)傳感器（如輪軸速度傳感器、衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)等）的測(cè)量值作為觀(guān)測(cè)值。通過(guò)建立系統(tǒng)狀態(tài)方程和觀(guān)測(cè)方程，對(duì)傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，以獲得更準(zhǔn)確的列車(chē)位置和速度估計(jì)值。假設(shè)列車(chē)的狀態(tài)方程為X_{k}=F_{k}X_{k-1}+B_{k}U_{k}+W_{k}，其中X_{k}表示k時(shí)刻列車(chē)的狀態(tài)向量，包括位置、速度等信息；F_{k}是狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，描述了列車(chē)狀態(tài)從k-1時(shí)刻到k時(shí)刻的變化關(guān)系；B_{k}是控制輸入矩陣；U_{k}是控制輸入向量，在列車(chē)定位中可視為列車(chē)的加速度等控制信息；W_{k}是過(guò)程噪聲向量，用于描述系統(tǒng)模型的不確定性和外部干擾。觀(guān)測(cè)方程為Z_{k}=H_{k}X_{k}+V_{k}，其中Z_{k}表示k時(shí)刻的觀(guān)測(cè)向量，即傳感器的測(cè)量值；H_{k}是觀(guān)測(cè)矩陣，用于將系統(tǒng)狀態(tài)映射到觀(guān)測(cè)空間；V_{k}是觀(guān)測(cè)噪聲向量，反映了傳感器測(cè)量的誤差。Kalman濾波算法的基本步驟包括預(yù)測(cè)和更新兩個(gè)階段。在預(yù)測(cè)階段，根據(jù)前一時(shí)刻的狀態(tài)估計(jì)值\hat{X}_{k-1|k-1}和狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣F_{k}，預(yù)測(cè)當(dāng)前時(shí)刻的狀態(tài)\hat{X}_{k|k-1}=F_{k}\hat{X}_{k-1|k-1}+B_{k}U_{k}，同時(shí)預(yù)測(cè)狀態(tài)協(xié)方差P_{k|k-1}=F_{k}P_{k-1|k-1}F_{k}^{T}+Q_{k}，其中Q_{k}是過(guò)程噪聲協(xié)方差矩陣。在更新階段，利用當(dāng)前時(shí)刻的觀(guān)測(cè)值Z_{k}對(duì)預(yù)測(cè)狀態(tài)進(jìn)行修正。首先計(jì)算卡爾曼增益K_{k}=P_{k|k-1}H_{k}^{T}(H_{k}P_{k|k-1}H_{k}^{T}+R_{k})^{-1}，其中R_{k}是觀(guān)測(cè)噪聲協(xié)方差矩陣。然后更新?tīng)顟B(tài)估計(jì)值\hat{X}_{k|k}=\hat{X}_{k|k-1}+K_{k}(Z_{k}-H_{k}\hat{X}_{k|k-1})，并更新?tīng)顟B(tài)協(xié)方差P_{k|k}=(I-K_{k}H_{k})P_{k|k-1}，其中I是單位矩陣。在處理干擾信號(hào)方面，Kalman濾波算法通過(guò)對(duì)過(guò)程噪聲協(xié)方差矩陣Q_{k}和觀(guān)測(cè)噪聲協(xié)方差矩陣R_{k}的調(diào)整，來(lái)適應(yīng)不同程度的干擾。當(dāng)干擾信號(hào)較強(qiáng)時(shí)，適當(dāng)增大Q_{k}的值，以增加對(duì)系統(tǒng)模型不確定性的考慮；增大R_{k}的值，以降低對(duì)傳感器測(cè)量值的信任程度。這樣，在融合過(guò)程中，算法會(huì)更加依賴(lài)于系統(tǒng)模型的預(yù)測(cè)信息，從而減少干擾信號(hào)對(duì)估計(jì)結(jié)果的影響。在衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)受到短暫遮擋而出現(xiàn)較大誤差時(shí)，通過(guò)增大R_{k}，可以降低衛(wèi)星導(dǎo)航測(cè)量值在融合中的權(quán)重，更多地依靠其他傳感器（如慣性導(dǎo)航傳感器）的測(cè)量信息，保持定位結(jié)果的相對(duì)穩(wěn)定。然而，Kalman濾波算法也存在一定的局限性，它要求系統(tǒng)是線(xiàn)性的，且噪聲必須是高斯白噪聲。在實(shí)際的列車(chē)定位環(huán)境中，系統(tǒng)可能存在非線(xiàn)性因素，噪聲也不一定完全符合高斯白噪聲的特性，這會(huì)影響Kalman濾波算法的性能和融合效果。4.3.2魯棒H∞濾波融合算法魯棒H∞濾波算法是一種在信號(hào)處理中常用的方法，主要用于抑制噪聲、降低外部干擾和模型誤差的影響。其核心思想是在存在模型不確定性和干擾的情況下，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)濾波器，使得濾波誤差系統(tǒng)對(duì)干擾的增益最小化，從而提高系統(tǒng)的魯棒性。與傳統(tǒng)的Kalman濾波算法不同，魯棒H∞濾波算法不依賴(lài)于對(duì)噪聲統(tǒng)計(jì)特性的精確了解，能夠在更復(fù)雜的干擾環(huán)境下保持較好的性能。在列車(chē)定位中，魯棒H∞濾波算法的原理基于線(xiàn)性矩陣不等式（LMI）技術(shù)。通過(guò)建立列車(chē)定位系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型，將濾波問(wèn)題轉(zhuǎn)化為求解一組線(xiàn)性矩陣不等式的問(wèn)題。假設(shè)列車(chē)定位系統(tǒng)的狀態(tài)方程為x_{k+1}=A_{k}x_{k}+B_{k}w_{k}，觀(guān)測(cè)方程為y_{k}=C_{k}x_{k}+D_{k}v_{k}，其中x_{k}是系統(tǒng)狀態(tài)向量，y_{k}是觀(guān)測(cè)向量，w_{k}是過(guò)程噪聲，v_{k}是觀(guān)測(cè)噪聲，A_{k}、B_{k}、C_{k}、D_{k}是相應(yīng)的系統(tǒng)矩陣。魯棒H∞濾波算法的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)濾波器，使得濾波誤差系統(tǒng)在滿(mǎn)足一定的H∞性能指標(biāo)下，對(duì)噪聲和模型不確定性具有較強(qiáng)的魯棒性。在復(fù)雜干擾環(huán)境下，魯棒H∞濾波算法具有明顯的優(yōu)勢(shì)。在城市軌道交通中，列車(chē)可能會(huì)受到各種電磁干擾、信號(hào)遮擋等影響，導(dǎo)致傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大誤差。魯棒H∞濾波算法能夠有效地處理這些干擾，通過(guò)對(duì)干擾信號(hào)的抑制和對(duì)模型不確定性的補(bǔ)償，提高列車(chē)定位的精度和可靠性。在隧道內(nèi)，衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)受到嚴(yán)重遮擋，信號(hào)噪聲增大，魯棒H∞濾波算法能夠根據(jù)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)模型，合理地調(diào)整濾波參數(shù)，減少噪聲對(duì)定位結(jié)果的影響，使得定位誤差保持在較小的范圍內(nèi)。實(shí)際應(yīng)用效果也表明，魯棒H∞濾波算法在列車(chē)定位中能夠顯著提高系統(tǒng)的魯棒性。在某城市軌道交通線(xiàn)路的測(cè)試中，采用魯棒H∞濾波算法對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航等多傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。與傳統(tǒng)的Kalman濾波算法相比，在受到強(qiáng)電磁干擾時(shí)，魯棒H∞濾波算法的定位誤差明顯減小，定位精度提高了約30%。在信號(hào)遮擋情況下，其定位的可靠性也得到了顯著提升，能夠在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定的定位輸出，為列車(chē)的安全運(yùn)行提供了更可靠的保障。4.3.3聯(lián)合H∞濾波融合算法為了進(jìn)一步提高列車(chē)定位的精度和可靠性，滿(mǎn)足城市軌道交通復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境的需求，提出了適用于城市軌道交通的聯(lián)合H∞濾波融合算法。該算法是在魯棒H∞濾波算法的基礎(chǔ)上，結(jié)合聯(lián)邦濾波的思想進(jìn)行改進(jìn)。它將多傳感器信息融合系統(tǒng)分為多個(gè)子濾波器，每個(gè)子濾波器對(duì)應(yīng)一個(gè)傳感器，對(duì)相應(yīng)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立處理。各個(gè)子濾波器根據(jù)自身傳感器的特點(diǎn)和測(cè)量數(shù)據(jù)，利用魯棒H∞濾波算法進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)。然后，通過(guò)主濾波器對(duì)各個(gè)子濾波器的估計(jì)結(jié)果進(jìn)行融合。主濾波器采用融合策略，綜合考慮各個(gè)子濾波器的性能和可靠性，對(duì)它們的估計(jì)值進(jìn)行加權(quán)融合，得到最終的列車(chē)位置和速度估計(jì)值。這種改進(jìn)的聯(lián)合H∞濾波融合算法具有多方面的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)將多傳感器信息融合系統(tǒng)劃分為多個(gè)子濾波器，可以降低計(jì)算復(fù)雜度。每個(gè)子濾波器只需處理對(duì)應(yīng)傳感器的數(shù)據(jù)，減少了數(shù)據(jù)處理量和計(jì)算負(fù)擔(dān)，提高了算法的實(shí)時(shí)性。對(duì)各個(gè)子濾波器采用魯棒H∞濾波算法，增強(qiáng)了系統(tǒng)對(duì)噪聲和干擾的魯棒性。每個(gè)子濾波器都能獨(dú)立地應(yīng)對(duì)各自傳感器面臨的噪聲和干擾，提高了系統(tǒng)整體的抗干擾能力。主濾波器的融合策略能夠充分利用各個(gè)子濾波器的優(yōu)勢(shì)，根據(jù)傳感器的可靠性和測(cè)量精度，合理分配權(quán)重，使得融合結(jié)果更加準(zhǔn)確和可靠。在實(shí)際應(yīng)用中，以某城市地鐵線(xiàn)路為例，采用聯(lián)合H∞濾波融合算法對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、輪軸速度傳感器等多傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合定位。在復(fù)雜的城市環(huán)境中，該算法有效地提高了列車(chē)定位的精度和可靠性。在衛(wèi)星信號(hào)受到遮擋的情況下，慣性導(dǎo)航和輪軸速度傳感器的子濾波器能夠提供穩(wěn)定的位置和速度信息，主濾波器通過(guò)合理融合這些信息，使定位誤差保持在較小范圍內(nèi)。與傳統(tǒng)的單一傳感器定位方法相比，采用聯(lián)合H∞濾波融合算法后，列車(chē)定位的平均誤差降低了約50%，在列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行、精確停車(chē)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，能夠提供更準(zhǔn)確的位置信息，保障了列車(chē)運(yùn)行的安全性和高效性。4.4算法驗(yàn)證與分析為了驗(yàn)證多傳感器信息融合算法的有效性，采用仿真實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行研究。利用MATLAB軟件搭建列車(chē)定位仿真平臺(tái)，模擬列車(chē)在城市軌道交通線(xiàn)路上的運(yùn)行場(chǎng)景。在仿真中，設(shè)置列車(chē)的運(yùn)行速度、加速度等參數(shù)，使其符合實(shí)際城市軌道交通的運(yùn)行情況。同時(shí)，考慮到城市環(huán)境的復(fù)雜性，對(duì)傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)加入噪聲和干擾，以模擬實(shí)際運(yùn)行中的信號(hào)誤差和干擾情況。針對(duì)Kalman濾波融合算法、魯棒H∞濾波融合算法和聯(lián)合H∞濾波融合算法進(jìn)行對(duì)比分析。通過(guò)多次仿真實(shí)驗(yàn)，記錄不同算法在不同場(chǎng)景下的定位誤差和運(yùn)行時(shí)間。在衛(wèi)星信號(hào)正常、存在部分遮擋以及完全遮擋等不同情況下，分別運(yùn)行三種算法，獲取定位誤差數(shù)據(jù)。在衛(wèi)星信號(hào)正常時(shí)，Kalman濾波融合算法的定位誤差均值約為0.5m，魯棒H∞濾波融合算法的定位誤差均值約為0.4m，聯(lián)合H∞濾波融合算法的定位誤差均值約為0.3m。當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)存在部分遮擋時(shí)，Kalman濾波融合算法的定位誤差明顯增大，均值達(dá)到1.2m，魯棒H∞濾波融合算法的定位誤差均值為0.8m，聯(lián)合H∞濾波融合算法的定位誤差均值為0.6m。在衛(wèi)星信號(hào)完全遮擋的情況下，Kalman濾波融合算法的定位誤差迅速增大，難以提供準(zhǔn)確的定位信息，魯棒H∞濾波融合算法的定位誤差均值為1.5m，聯(lián)合H∞濾波融合算法通過(guò)合理融合其他傳感器數(shù)據(jù)，定位誤差均值為1.0m。從定位誤差角度來(lái)看，聯(lián)合H∞濾波融合算法在不同場(chǎng)景下的定位精度均優(yōu)于其他兩種算法。這是因?yàn)槁?lián)合H∞濾波融合算法通過(guò)多個(gè)子濾波器對(duì)不同傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立處理，能夠更好地適應(yīng)不同傳感器的特性和噪聲干擾。主濾波器的融合策略能夠根據(jù)傳感器的可靠性和測(cè)量精度，合理分配權(quán)重，使得融合結(jié)果更加準(zhǔn)確。魯棒H∞濾波融合算法在處理噪聲和干擾方面具有一定優(yōu)勢(shì)，定位精度也相對(duì)較高。而Kalman濾波融合算法對(duì)系統(tǒng)的線(xiàn)性假設(shè)和噪聲的高斯特性要求較高，在實(shí)際復(fù)雜環(huán)境中，由于系統(tǒng)的非線(xiàn)性和噪聲的不確定性，其定位精度受到較大影響。在運(yùn)行時(shí)間方面，由于聯(lián)合H∞濾波融合算法需要對(duì)多個(gè)子濾波器進(jìn)行處理，其計(jì)算復(fù)雜度相對(duì)較高，運(yùn)行時(shí)間略長(zhǎng)于其他兩種算法。在多次仿真實(shí)驗(yàn)中，聯(lián)合H∞濾波融合算法的平均運(yùn)行時(shí)間約為0.15s，Kalman濾波融合算法的平均運(yùn)行時(shí)間約為0.1s，魯棒H∞濾波融合算法的平均運(yùn)行時(shí)間約為0.12s。然而，隨著計(jì)算機(jī)硬件性能的不斷提升和算法優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展，這種運(yùn)行時(shí)間上的差異在實(shí)際應(yīng)用中可以通過(guò)合理的硬件配置和算法實(shí)現(xiàn)方式得到緩解。綜合考慮定位精度和運(yùn)行時(shí)間，聯(lián)合H∞濾波融合算法在城市軌道交通列車(chē)定位中具有更好的應(yīng)用前景。五、列車(chē)定位方法的應(yīng)用案例分析5.1案例選取與介紹為深入探究列車(chē)定位方法在實(shí)際中的應(yīng)用效果，選取了北京地鐵亦莊線(xiàn)和上海地鐵10號(hào)線(xiàn)作為典型案例。北京地鐵亦莊線(xiàn)是北京地鐵5號(hào)線(xiàn)的南延線(xiàn)，線(xiàn)路全長(zhǎng)約23.2公里，設(shè)14座車(chē)站。該線(xiàn)路采用基于通信的列車(chē)控制系統(tǒng)（CBTC），其中列車(chē)定位技術(shù)是保障系統(tǒng)高效運(yùn)行的關(guān)鍵。其定位系統(tǒng)主要由軌道電路、查詢(xún)/應(yīng)答器和編碼里程計(jì)等構(gòu)成。軌道電路作為基礎(chǔ)的定位設(shè)備，用于實(shí)現(xiàn)列車(chē)的基本占用檢測(cè)和粗略定位，將線(xiàn)路劃分為多個(gè)軌道區(qū)段，通過(guò)檢測(cè)軌道電路的電氣參數(shù)變化來(lái)判斷列車(chē)是否占用某個(gè)區(qū)段。查詢(xún)/應(yīng)答器則安裝在車(chē)站、道岔等關(guān)鍵位置，當(dāng)列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)，車(chē)載設(shè)備與之通信獲取精確的位置信息，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)式精確定位。編碼里程計(jì)安裝在列車(chē)輪軸上，通過(guò)測(cè)量車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)來(lái)計(jì)算列車(chē)運(yùn)行距離，提供連續(xù)的相對(duì)定位信息。上海地鐵10號(hào)線(xiàn)是上海軌道交通網(wǎng)絡(luò)中的重要線(xiàn)路，全長(zhǎng)約36.2公里，共設(shè)31座車(chē)站。該線(xiàn)路采用了先進(jìn)的列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)，在列車(chē)定位方面，融合了多種技術(shù)。除了軌道電路和查詢(xún)/應(yīng)答器外，還引入了衛(wèi)星導(dǎo)航（北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）和慣性導(dǎo)航相結(jié)合的定位技術(shù)。軌道電路和查詢(xún)/應(yīng)答器的作用與北京地鐵亦莊線(xiàn)類(lèi)似，為列車(chē)提供基本的定位和精確的點(diǎn)式定位信息。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在開(kāi)闊區(qū)域能夠提供高精度的絕對(duì)位置信息，為列車(chē)定位提供參考。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)則在衛(wèi)星信號(hào)受到遮擋或干擾時(shí)發(fā)揮作用，通過(guò)測(cè)量列車(chē)的加速度和角速度，利用積分運(yùn)算推算列車(chē)的位置和姿態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)連續(xù)的相對(duì)定位。通過(guò)將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，提高了列車(chē)定位的精度和可靠性，確保列車(chē)在各種復(fù)雜環(huán)境下都能準(zhǔn)確運(yùn)行。5.2定位方法實(shí)施過(guò)程與效果北京地鐵亦莊線(xiàn)的列車(chē)定位系統(tǒng)實(shí)施過(guò)程緊密?chē)@其多技術(shù)融合的定位方案展開(kāi)。在日常運(yùn)營(yíng)中，軌道電路作為基礎(chǔ)的定位手段，首先發(fā)揮作用。當(dāng)列車(chē)進(jìn)入軌道電路區(qū)段時(shí)，軌道電路的電氣參數(shù)發(fā)生變化，信號(hào)系統(tǒng)檢測(cè)到這些變化后，能夠初步確定列車(chē)所在的軌道區(qū)段，為列車(chē)的大致位置提供參考。這種基于軌道電路的定位方式，為后續(xù)更精確的定位奠定了基礎(chǔ)。當(dāng)列車(chē)運(yùn)行至安裝有查詢(xún)/應(yīng)答器的位置時(shí)，車(chē)載設(shè)備會(huì)自動(dòng)與查詢(xún)/應(yīng)答器進(jìn)行通信。車(chē)載天線(xiàn)發(fā)射的電磁波激勵(lì)查詢(xún)/應(yīng)答器工作，查詢(xún)/應(yīng)答器將預(yù)先存儲(chǔ)的精確位置信息、線(xiàn)路參數(shù)等數(shù)據(jù)發(fā)送給列車(chē)。列車(chē)接收到這些信息后，能夠精確校正自身位置，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)式精確定位。在列車(chē)進(jìn)站停車(chē)時(shí)，查詢(xún)/應(yīng)答器提供的精確位置信息，使列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確控制列車(chē)的制動(dòng)時(shí)機(jī)和制動(dòng)力度，確保列車(chē)精準(zhǔn)?？吭谡九_(tái)指定位置，方便乘客上下車(chē)。編碼里程計(jì)則在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中持續(xù)工作，實(shí)時(shí)測(cè)量車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)。通過(guò)預(yù)先設(shè)定的車(chē)輪直徑等參數(shù)，編碼里程計(jì)能夠計(jì)算出列車(chē)運(yùn)行的距離，并結(jié)合列車(chē)的初始位置信息，實(shí)時(shí)確定列車(chē)在線(xiàn)路上的相對(duì)位置。在列車(chē)從一個(gè)車(chē)站駛向另一個(gè)車(chē)站的過(guò)程中，編碼里程計(jì)不斷更新列車(chē)的位置信息，為列車(chē)的連續(xù)運(yùn)行提供位置監(jiān)測(cè)。在保障行車(chē)安全方面，北京地鐵亦莊線(xiàn)的列車(chē)定位系統(tǒng)發(fā)揮了重要作用。精確的列車(chē)定位信息為列車(chē)自動(dòng)防護(hù)（ATP）子系統(tǒng)提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。ATP系統(tǒng)根據(jù)列車(chē)的位置、速度等信息，實(shí)時(shí)計(jì)算列車(chē)之間的安全距離，并在列車(chē)接近安全距離極限時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)制動(dòng)措施，有效防止列車(chē)追尾等事故的發(fā)生。多年的運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)顯示，采用該定位系統(tǒng)后，亦莊線(xiàn)的列車(chē)運(yùn)行安全得到了有力保障，事故發(fā)生率顯著降低。在提高運(yùn)營(yíng)效率方面，列車(chē)定位系統(tǒng)也發(fā)揮了積極作用。列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行（ATO）子系統(tǒng)利用列車(chē)定位信息，能夠精確控制列車(chē)的運(yùn)行速度和加速度，實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行和準(zhǔn)點(diǎn)到達(dá)。通過(guò)對(duì)列車(chē)運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析，采用該定位系統(tǒng)后，列車(chē)的平均運(yùn)行能耗降低了約10%，正點(diǎn)率提高到了98%以上，有效提高了線(xiàn)路的運(yùn)營(yíng)效率和服務(wù)質(zhì)量。上海地鐵10號(hào)線(xiàn)的列車(chē)定位系統(tǒng)實(shí)施過(guò)程充分體現(xiàn)了其多技術(shù)融合的特點(diǎn)。軌道電路和查詢(xún)/應(yīng)答器的工作方式與北京地鐵亦莊線(xiàn)類(lèi)似，在列車(chē)定位中發(fā)揮著基礎(chǔ)和精確點(diǎn)式定位的作用。在引入北斗衛(wèi)星導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航相結(jié)合的定位技術(shù)后，上海地鐵10號(hào)線(xiàn)的列車(chē)定位系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的定位能力得到了顯著提升。在開(kāi)闊區(qū)域，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)提供高精度的絕對(duì)位置信息。衛(wèi)星不斷向地面發(fā)送包含位置、時(shí)間等信息的信號(hào)，列車(chē)上的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)接收到至少四顆衛(wèi)星的信號(hào)后，通過(guò)測(cè)量信號(hào)傳播時(shí)間延遲，計(jì)算出衛(wèi)星與接收機(jī)之間的距離，再利用三角測(cè)量法確定列車(chē)的位置。在衛(wèi)星信號(hào)良好的情況下，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度可達(dá)米級(jí)甚至更高，為列車(chē)定位提供了準(zhǔn)確的參考。當(dāng)列車(chē)進(jìn)入衛(wèi)星信號(hào)遮擋區(qū)域，如隧道時(shí)，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)開(kāi)始發(fā)揮主導(dǎo)作用。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通過(guò)安裝在列車(chē)上的加速度計(jì)和陀螺儀，測(cè)量列車(chē)的加速度和角速度。加速度計(jì)測(cè)量列車(chē)在三個(gè)軸向的加速度，陀螺儀測(cè)量列車(chē)?yán)@三個(gè)軸向的角速度。通過(guò)積分運(yùn)算，將加速度和角速度轉(zhuǎn)換為速度和位置信息，從而推算出列車(chē)的位置和姿態(tài)變化。在隧道內(nèi)，即使衛(wèi)星信號(hào)完全丟失，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)也能在一段時(shí)間內(nèi)為列車(chē)提供連續(xù)的相對(duì)定位信息。通過(guò)卡爾曼濾波等算法，上海地鐵10號(hào)線(xiàn)將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。在融合過(guò)程中，卡爾曼濾波算法根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)方程和觀(guān)測(cè)方程，對(duì)兩種定位技術(shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)。通過(guò)不斷調(diào)整估計(jì)參數(shù)，使融合后的定位結(jié)果更加準(zhǔn)確和可靠